Tipos de electrolitos de sal de litio: ventajas e inconvenientes

Al mismo tiempo, el electrolito también puede formar una capa protectora en la superficie del material del electrodo, que determina en gran medida la capacidad, la temperatura de funcionamiento, el rendimiento del ciclo, la densidad de potencia, la densidad de energía y la seguridad de las baterías de iones de litio.

En la actualidad, los electrolitos de sales de litio utilizados en las baterías de litio incluyen principalmente el electrolito de sales de litio inorgánicas y el electrolito de sales de litio orgánicas. Este artículo resume principalmente las sales de litio inorgánicas y las sales de litio orgánicas más comunes, e informa sobre las ventajas y desventajas de los electrolitos de sales de litio.

Electrolito inorgánico de sal de litio

En general, las sales inorgánicas de litio utilizadas en las baterías de iones de litio presentan las ventajas de su bajo precio, su difícil descomposición, su alta tolerancia al potencial y su sencilla síntesis. Las sales inorgánicas de litio electrolíticas más comunes incluyen principalmente el perclorato de litio (LiClO4), el tetrafluoroborato de litio (LiBF4), el hexafluoroarsenato de litio (LiAsF6) y el hexafluorofosfato de litio (LiPF6).

1.LiClO4
El perclorato de litio (LiClO4) es un electrolito de sal de litio con una solubilidad relativamente alta, por lo que presenta una conductividad iónica relativamente alta, y su conductividad iónica a temperatura ambiente en disolventes orgánicos carbonatados puede alcanzar los 9 mS/cm. Además, la ventana de estabilidad electroquímica de LiClO4 como electrolito de sal de litio puede alcanzar los 5,1 V frente a Li+/Li, lo que tiene una estabilidad de oxidación relativamente buena, esta propiedad también permite que el electrolito coincida con algunos materiales de cátodo de alto voltaje, ejerciendo así la alta densidad de energía de las baterías de litio.

Además, el LiClO4 tiene las ventajas de una preparación sencilla, un bajo coste y una buena estabilidad, y se ha utilizado ampliamente en la investigación básica de laboratorio. Sin embargo, como el Cl del LiClO4 se encuentra en el estado de valencia más alto +7, es muy fácil que experimente reacciones de oxidación-reducción con el disolvente orgánico del electrolito, lo que causará problemas de seguridad como la combustión y la explosión de las baterías de litio. Por ello, el LiClO4 se utiliza raramente en las baterías de litio comerciales.

Fórmula de la estructura molecular de la sal inorgánica de litio

2、LiBF4
El tetrafluoroborato de litio (LiBF4) tiene un radio aniónico relativamente pequeño (0,227 nm), por lo tanto, el electrolito de sal de litio tiene una capacidad de coordinación relativamente débil con los iones de litio, es fácil de disociar en disolventes orgánicos, lo que ayuda a mejorar la conductividad de las baterías de litio, mejorando así el rendimiento de la batería.

Sin embargo, precisamente porque su anión tiene un radio relativamente pequeño, es fácil que se coordine con el disolvente orgánico del electrolito, lo que también da lugar a una conductividad relativamente baja de los iones de litio, por lo que el LiBF4 rara vez se utiliza en baterías de litio a temperatura normal.

Sin embargo, el LiBF4 tiene una estabilidad térmica relativamente alta y no es fácil que se descomponga a alta temperatura, por lo que suele utilizarse en baterías de litio de alta temperatura. Mientras tanto, el LiBF4 también presenta un buen rendimiento de la batería a baja temperatura, lo que se debe principalmente a la menor impedancia interfacial del electrolito basado en LiBF4 a baja temperatura.

Además, el LiBF4 tiene cierta resistencia a la corrosión del colector de corriente Al. Por lo tanto, LiBF4 se utiliza a menudo como aditivo electrolítico para baterías de iones de litio, aumentando así el potencial de corrosión del electrolito al colector de corriente Al.

3、LiAsF6
El hexafluoroarsenato de litio (LiAsF6) tiene la misma conductividad iónica que el LiBF4 y, al mismo tiempo, el electrolito de sal de litio no es corrosivo para el colector de corriente Al. Además, la ventana electroquímica del electrolito de sal de litio LiAsF6 puede alcanzar 6,3 V frente a Li+/Li, que es mucho mayor que la estabilidad electroquímica de las sales de litio generales. Sin embargo, debido al elemento As altamente tóxico que contiene el LiAsF6, no se suele utilizar en las baterías de litio comerciales.

4、LiPF6
El hexafluorofosfato de litio (LiPF6) es actualmente el electrolito de sal de litio más utilizado en las baterías de litio comerciales, que tiene una conductividad iónica y una estabilidad electroquímica relativamente buenas en disolventes orgánicos apróticos. Además, el electrolito LiPF6 puede formar una película protectora con el colector de corriente Al, reduciendo así la corrosión del electrolito al colector de corriente Al.

Más importante aún, el electrolito de carbonato basado en el electrolito de sal de litio LiPF6 puede formar una capa de interfaz de electrolito sólido (SEI) en el ánodo de grafito, de esta manera, la reacción adversa entre el electrolito y el ánodo de grafito está protegida, y la batería de iones de litio tiene un buen rendimiento de ciclo a largo plazo.

Sin embargo, el electrolito de sal de litio LiPF6 tiene poca estabilidad térmica. Además, reacciona fácilmente con trazas de agua para producir ácido fuerte PF5. El PF5 reacciona fácilmente con los disolventes orgánicos del electrolito, lo que reduce el rendimiento de la batería. Entre las principales empresas de LiPF6 en China se encuentran las 10 principales empresas de hexafluorofosfato de litio.

Electrolito orgánico de sal de litio

En comparación con las sales de litio inorgánicas, las sales de litio orgánicas utilizadas habitualmente en las baterías de iones de litio pueden considerarse reguladas mediante la adición de grupos que retiran electrones a los aniones de las sales de litio inorgánicas. Las sales orgánicas de litio electrolíticas más comunes incluyen principalmente el borato de bisoxalato de litio (LiBOB), el borato de difluorooxalato de litio (LiDFOB), la bisdifluorosulfonil imida de litio (LiFSI) y la bistrifluorometilsulfonil imida de litio (LiTFSI) .

La fórmula de la estructura molecular de la sal orgánica de litio

1、LiBOB y LiDFOB
El borato de bisoxalato de litio (LiBOB) fue sintetizado por Kang Xu et al. 4 y utilizado como electrolito de sal de litio en baterías de litio, el electrolito de sal de litio LiBOB tiene las ventajas de una alta conductividad iónica, una amplia ventana de estabilidad electroquímica, una buena estabilidad térmica y una buena estabilidad de ciclo.

Además, los estudios han demostrado que puede formar una película de pasivación estable con el colector de corriente Al para protegerlo de la corrosión electrolítica. Sin embargo, el LiBOB tiene el inconveniente evidente de su baja solubilidad en disolventes apróticos, lo que da lugar a una baja conductividad de los electrolitos que lo componen, lo que limita el rendimiento de las baterías basadas en esta sal.

Para superar los inconvenientes de la escasa solubilidad y la baja conductividad iónica del LiBOB, Zhang et al. 5 tomaron una parte del electrolito de sal de litio LiBOB y LiBF4 para sintetizar otro nuevo tipo de electrolito de sal de litio, el borato de difluorooxalato de litio (LiDFOB). Los estudios han demostrado que el LiDFOB tiene una conductividad iónica mucho mayor que el LiBOB;

Además, tiene buena estabilidad electroquímica y buena compatibilidad con el cátodo y el ánodo. Además, las baterías basadas en el electrolito de sal de litio también presentan un buen rendimiento a bajas temperaturas. Gracias a estas ventajas, el LiDFOB se utiliza ampliamente en las baterías de litio actuales.

2、LiFSI y LiTFSI
La bisfluorosulfonil imida de litio (LiFSI) tiene las ventajas de una alta conductividad iónica y una baja sensibilidad al agua. Además, LiFSI tiene una temperatura de descomposición más alta que LiPF6, y su seguridad es relativamente mejor. Sin embargo, el LiFSI es muy corrosivo para el colector de corriente Al, lo que limita en cierta medida su aplicación en las baterías de iones de litio. A continuación Las 5 principales empresas LiFSI en China.

La bis(trifluorometilsulfonil)imida de litio (LiTFSI) es otra sal orgánica de litio desarrollada por Michel Armand, sus iones anódicos están compuestos por átomos de nitrógeno (N) con fuerte electronegatividad y dos átomos de azufre (S) conectados con grupos de fuerte atracción de electrones (CF3). Esta estructura dispersa las cargas negativas, facilitando la disociación de los iones catódicos y anódicos, lo que mejora notablemente su conductividad iónica.

La adición de otras sales de litio que no corroen el colector de corriente al LiTFSI, la introducción de grupos perfluorados de cadena larga y la adición de aditivos al LiTFSI pueden aumentar significativamente el potencial de corrosión del LiTFSI al colector de corriente. Aunque estos dos electrolitos de sal de litio tienen las características de corroer el colector de corriente Al, sin embargo, debido a las ventajas de alta conductividad iónica, buena estabilidad térmica, y buena estabilidad electroquímica, ha sido ampliamente utilizado en las baterías de iones de litio, baterías de polímero de litio todo estado sólido, y baterías de litio-azufre.

Conclusión

Como parte importante de las baterías de litio, el electrolito de sal de litio no sólo proporciona y transmite iones de litio, sino que también determina en cierta medida el rendimiento general de las baterías de litio.

Un conocimiento detallado de las ventajas e inconvenientes de los electrolitos de sal de litio existentes proporcionará una buena referencia e impulso para el desarrollo de nuevos electrolitos de sal de litio. Si está interesado en empresas relacionadas con el litio, consulte las 10 principales empresas de sales de litio en China