Types d'électrolytes à base de sels de lithium - avantages et inconvénients

Dans le même temps, l'électrolyte peut également former une couche protectrice à la surface du matériau d'électrode, ce qui détermine en grande partie la capacité, la température de fonctionnement, la performance du cycle, la densité de puissance, la densité d'énergie et la sécurité des batteries lithium-ion.

À l'heure actuelle, les électrolytes à base de sels de lithium utilisés dans les batteries au lithium comprennent principalement les électrolytes à base de sels de lithium inorganiques et les électrolytes à base de sels de lithium organiques. Cet article résume principalement les sels de lithium inorganiques et les sels de lithium organiques courants, et présente les avantages et les inconvénients des électrolytes à base de sels de lithium.

Électrolyte inorganique de sel de lithium

D'une manière générale, les sels de lithium inorganiques utilisés dans les batteries lithium-ion présentent les avantages d'un prix peu élevé, d'une décomposition difficile, d'une grande tolérance au potentiel et d'une synthèse simple. Les sels inorganiques de lithium couramment utilisés comme électrolytes comprennent principalement le perchlorate de lithium (LiClO4), le tétrafluoroborate de lithium (LiBF4), l'hexafluoroarsénate de lithium (LiAsF6) et l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6).

1.LiClO4
Le perchlorate de lithium (LiClO4) est un électrolyte de sel de lithium relativement soluble, qui présente donc une conductivité ionique relativement élevée, et sa conductivité ionique à température ambiante dans les solvants organiques carbonatés peut atteindre 9 mS/cm. En outre, la fenêtre de stabilité électrochimique de LiClO4 en tant qu'électrolyte de sel de lithium peut atteindre 5,1 V par rapport à Li+/Li, ce qui présente une relativement bonne stabilité à l'oxydation. Cette propriété permet également à l'électrolyte de correspondre à certains matériaux de cathode à haute tension, ce qui permet d'obtenir une densité énergétique élevée pour les batteries au lithium.

En outre, LiClO4 présente les avantages d'une préparation simple, d'un faible coût et d'une bonne stabilité, et a été largement utilisé dans la recherche fondamentale en laboratoire. Cependant, comme le Cl dans LiClO4 est dans l'état de valence le plus élevé +7, il est très facile de subir des réactions d'oxydo-réduction avec le solvant organique dans l'électrolyte, ce qui entraînera des problèmes de sécurité tels que la combustion et l'explosion des piles au lithium. C'est pourquoi le LiClO4 est rarement utilisé dans les piles au lithium commerciales.

La formule de la structure moléculaire du sel inorganique de lithium

2、LiBF4
Le tétrafluoroborate de lithium (LiBF4) a un rayon d'anion relativement petit (0,227 nm), l'électrolyte de sel de lithium a donc une capacité de coordination relativement faible avec les ions lithium, il est facile à dissocier dans les solvants organiques, ce qui permet d'améliorer la conductivité des batteries au lithium, améliorant ainsi les performances des batteries.

Cependant, c'est précisément parce que son anion a un rayon relativement petit qu'il est facile à coordonner avec le solvant organique dans l'électrolyte, ce qui conduit également à une conductivité relativement faible des ions lithium, de sorte que le LiBF4 est rarement utilisé dans les piles au lithium à température normale.

Cependant, le LiBF4 a une stabilité thermique relativement élevée et n'est pas facile à décomposer à haute température, c'est pourquoi il est souvent utilisé dans les piles au lithium à haute température. Parallèlement, le LiBF4 présente également de bonnes performances à basse température, ce qui est principalement dû à la plus faible impédance interfaciale de l'électrolyte à base de LiBF4 à basse température.

En outre, le LiBF4 présente une certaine résistance à la corrosion du collecteur de courant Al. Par conséquent, le LiBF4 est souvent utilisé comme additif d'électrolyte pour les batteries lithium-ion, augmentant ainsi le potentiel de corrosion de l'électrolyte par rapport au collecteur de courant Al.

3、LiAsF6
L'hexafluoroarséniate de lithium (LiAsF6) a la même conductivité ionique que le LiBF4 et, en même temps, l'électrolyte de sel de lithium n'est pas corrosif pour le collecteur de courant Al. En outre, la fenêtre électrochimique de l'électrolyte de sel de lithium LiAsF6 peut atteindre 6,3 V par rapport à Li+/Li, ce qui est beaucoup plus élevé que la stabilité électrochimique des sels de lithium généraux. Toutefois, en raison de l'élément As hautement toxique contenu dans le LiAsF6, celui-ci n'est pas souvent utilisé dans les batteries au lithium commerciales.

4、LiPF6
L'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) est actuellement l'électrolyte de sel de lithium le plus couramment utilisé dans les batteries au lithium commerciales, qui présente une conductivité ionique et une stabilité électrochimique relativement bonnes dans les solvants organiques aprotiques. En outre, l'électrolyte LiPF6 peut former un film protecteur avec le collecteur de courant Al, réduisant ainsi la corrosion de l'électrolyte sur le collecteur de courant Al.

Plus important encore, l'électrolyte de carbonate basé sur l'électrolyte de sel de lithium LiPF6 peut former une couche d'interface d'électrolyte solide (SEI) sur l'anode de graphite, de sorte que la réaction indésirable entre l'électrolyte et l'anode de graphite est protégée et que la batterie au lithium-ion présente de bonnes performances de cycle à long terme.

Cependant, l'électrolyte de sel de lithium LiPF6 présente une mauvaise stabilité thermique. En outre, il réagit facilement avec des traces d'eau pour produire un acide fort, le PF5. Le PF5 subit facilement des réactions secondaires avec les solvants organiques présents dans l'électrolyte, ce qui entraîne une diminution des performances de la batterie. Les principales entreprises chinoises spécialisées dans le LiPF6 sont les suivantes : top 10 entreprises de l'hexafluorophosphate de lithium.

Électrolyte organique de sel de lithium

Par rapport aux sels de lithium inorganiques, les sels de lithium organiques couramment utilisés dans les batteries lithium-ion peuvent être considérés comme régulés par l'ajout de groupes électroattracteurs aux anions des sels de lithium inorganiques. Les sels organiques de lithium couramment utilisés dans les électrolytes comprennent principalement le borate de bisoxalate de lithium (LiBOB), le borate de difluorooxalate de lithium (LiDFOB), l'imide de bisdifluorosulfonyle de lithium (LiFSI) et l'imide de bistrifluorométhylsulfonyle de lithium (LiTFSI).

La formule de la structure moléculaire du sel organique de lithium

1、LiBOB et LiDFOB
Le bisoxalate borate de lithium (LiBOB) a été synthétisé par Kang Xu et al. 4 et utilisé comme électrolyte de sel de lithium dans les batteries au lithium. L'électrolyte de sel de lithium LiBOB présente les avantages d'une conductivité ionique élevée, d'une large fenêtre de stabilité électrochimique, d'une bonne stabilité thermique et d'une bonne stabilité de cycle.

En outre, des études ont montré qu'il peut former un film de passivation stable avec le collecteur de courant Al pour protéger ce dernier de la corrosion de l'électrolyte. Cependant, le LiBOB présente l'inconvénient évident d'être peu soluble dans les solvants aprotiques, ce qui entraîne une faible conductivité des électrolytes qu'il contient et limite les performances des piles basées sur ce sel.

Afin de surmonter les inconvénients de la faible solubilité et de la faible conductivité ionique du LiBOB, Zhang et al. 5 ont utilisé une partie du LiBOB et de l'électrolyte de sel de lithium LiBF4 pour synthétiser un nouveau type d'électrolyte de sel de lithium, le borate de difluorooxalate de lithium (LiDFOB). Des études ont montré que le LiDFOB a une conductivité ionique beaucoup plus élevée que le LiBOB ;

En outre, il présente une bonne stabilité électrochimique et une bonne compatibilité avec la cathode et l'anode. En outre, les batteries basées sur l'électrolyte de sel de lithium présentent également de bonnes performances à basse température. Compte tenu des avantages susmentionnés, le LiDFOB est largement utilisé dans les piles au lithium actuelles.

2、LiFSI et LiTFSI
Le bisfluorosulfonylimide de lithium (LiFSI) présente les avantages d'une conductivité ionique élevée et d'une faible sensibilité à l'eau. En outre, le LiFSI a une température de décomposition plus élevée que le LiPF6 et présente une sécurité relativement meilleure. Cependant, le LiFSI est très corrosif pour le collecteur de courant Al, ce qui limite dans une certaine mesure son application dans les batteries Li-ion. Voici quelques exemples Les 5 premières entreprises du LiFSI en Chine.

Le bis(trifluorométhylsulfonyl)imide de lithium (LiTFSI) est un autre sel organique de lithium mis au point par Michel Armand. Ses ions anodiques sont composés d'atomes d'azote (N) à forte électronégativité et de deux atomes de soufre (S) reliés par des groupes à forte attraction électronique (CF3). Cette structure disperse les charges négatives, ce qui facilite la dissociation des ions cathodiques et anodiques, améliorant ainsi considérablement sa conductivité ionique.

L'ajout d'autres sels de lithium qui ne corrodent pas le collecteur de courant à LiTFSI, l'introduction de groupes perfluorés à longue chaîne et l'ajout d'additifs à LiTFSI peuvent augmenter de manière significative le potentiel de corrosion de LiTFSI sur le collecteur de courant. Bien que ces deux électrolytes de sels de lithium aient les caractéristiques de corroder le collecteur de courant Al, cependant, en raison des avantages d'une conductivité ionique élevée, d'une bonne stabilité thermique et d'une bonne stabilité électrochimique, ils ont été largement utilisés dans les batteries au lithium-ion, les batteries au lithium polymère à l'état solide et les batteries au lithium-soufre.

Conclusion

En tant qu'élément important des piles au lithium, l'électrolyte de sel de lithium ne se contente pas de fournir et de transmettre des ions de lithium, il détermine également les performances globales des piles au lithium dans une certaine mesure.

Une compréhension détaillée des avantages et des inconvénients des électrolytes à base de sels de lithium existants fournira une bonne référence et une impulsion pour le développement de nouveaux électrolytes à base de sels de lithium. Si vous êtes intéressé par les entreprises liées au lithium, veuillez vous référer au top 10. entreprises de sel de lithium en Chine