Архів журналу

ПОВ'ЯЗАНІ СТАТТІ

Джонсон Метті Технол. Ред., 2015, 59, (1), 30

“Електроліти для літієвих та літій-іонних батарей”

Під редакцією Т. Річарда Джоу, Кан Сю, Олега Бородіна (Лабораторія досліджень армії США, США) та Макото Уе (Mitsubishi Chemical Corporation, Японія), Серія: Сучасні аспекти електрохімії, вип. 58, Springer Science + Business Media, Нью-Йорк, США, 2014, 476 сторінок, ISBN: 978-1-4939-0301-6, 117,00 фунтів стерлінгів, 179,00 доларів США, 135,19 євро

  • Відгук Сари Болл
  • Johnson Matthey Technology Center, Blounts Court, Sonning Common, Reading, RG4 9NH, Великобританія Електронна адреса: [email protected]

Стаття Конспект

“Електроліти для літію та літій-іонних батарей”, опублікований у 2014 р. Спрингером, - том 58 у серії “Сучасні аспекти електрохімії”. Том редагують Т. Річард Джоу, Кан Сю, Олег Бородін та Макото Уе. У передмові редактори виклали свою мету зі складання цього обсягу, який мав надати вичерпний огляд електролітів для літій-іонних батарей. Він охоплює дослідження та розробки електролітів за останні десять років і може бути використаний як основа для подальшої роботи та напрямків. Обсяг успішно охоплює багатогранну область електролітів логічним і всебічним способом.

Теми розділів включають солі літію, досягнення розчинників, добавок та іонних рідин, потім перехід до розуміння інтерфаз катода та анода, огляд різних підходів до характеристики, обговорення підходів до моделювання та, нарешті, майбутні технології, такі як літієві повітряні батареї.

Солі, розчинники та добавки

Глава 1, «Неводні електроліти: досягнення солей літію» Уеслі А. Хендерсона (Північно-західна національна лабораторія Тихого океану, США) починається з інформації про бажані сольові властивості, такі як іонна провідність, розчинність, стійкість (до окислення та гідролізу) та здатність до утворення оптимальна інтерфаза на електродах. Потім у цій главі подано надзвичайно всебічне висвітлення різних типів солей літію та їх властивостей, починаючи від таких солей, як гексафторфосфат літію (LiPF6) та біс літію (бістрифторметансульфоніл) імід (LiTFSI), до більш просунутих прикладів, включаючи органоборати, фосфати та алюмінати. . Структурні схеми включені для всіх прикладів, які значною мірою допомагають читачеві, а глава завершується висвітленням критеріїв прийняття нових солей; розділ також включає понад 700 посилань.

У розділі 2 "Неводні електроліти з прогресом у розчинниках" Макото Уе, Юкіо Сасакі (Токійський політехнічний університет, Японія), Ясутака Танака (Університет Сідзуока, Японія) та Масаюкі Моріта (Університет Ямагучі, Японія) розглядає важливі властивості розчинників, включаючи високі електролітична провідність, висока хімічна та електрохімічна стабільність, широкий діапазон робочих температур та висока безпека. Показані фазові діаграми для ряду сумішей розчинників і обговорюються такі властивості, як в'язкість, провідність та стабільність для ряду циклічних та лінійних карбонатів та їх фторованих варіантів. Обговорюється типова вимога змішувати принаймні два електроліти для досягнення оптимальних властивостей, наприклад, комбінація циклічного карбонату (висока діелектрична проникність, що сприяє дисоціації солі) та лінійного карбонату (до нижчої в'язкості), а також переваги фторованих розчинників для підвищення електрохімічних показників та стабільності використання органобаратів для зниження ваги, вартості та токсичності та додавання фосфатів як антипіренів. Також розглядаються електроліти полімерного гелю та сірковмісні розчинники.

Глава 3 „Неводні електроліти та досягнення добавок” Коджі Абе (UBE Industries Ltd, Японія) частково розказана з історичної точки зору, але також класифікує різні типи добавок відповідно до їх функції та безпеки. Обговорюється навмисне додавання добавок для контролю твердої електролітної інтерфази (SEI) шляхом формування контрольованого тонкого шару з меншим опором рухливості Li та добавок для утворення стабільної катодної інтерфази. Також розглядаються аспекти безпеки, такі як додавання видів, які можуть запобігти тепловому втечі через поверхневу полімеризацію, та добавки, такі як окисно-відновлювальні човники (наприклад, анізоли) та інші підходи до захисту від надмірних зарядів та вогнезахисні добавки, такі як фосфати.

У главі 4, "Останні досягнення в іонних рідинах для вторинних літієвих батарей" Хаджіме Мацумото (Національний інститут передових промислових наук і технологій (AIST), Японія) описуються корисні властивості іонних рідин (ІЛ), такі як знижена горючість і летючість та покриви приклади їх дослідницького використання в повних камерах. Важливими останніми розробками є рецептура нових аніонів (зокрема, асиметричних версій), які впливають на в'язкість та покращують рухливість/провідність, щоб досягти показників, порівнянних із звичайними електролітами з використанням ІЛ. Показано також, що висока стабільність ІЛ при аналізі окремих компонентів (термічне розкладання) знижується у присутності активних компонентів батареї, що ілюструє важливість реалістичних сценаріїв тестування.

Інтерфейси та хімія поверхні

Розділ 5, „Інтерфази між електролітами та анодами в літій-іонній батареї” Менгкіна Сю, Лідана Сінга та Вейшаня Лі (Південно-Китайський нормальний університет) висвітлює інтерфазу анодного електроліту (іменовану SEI). Він починається з історичного огляду початкової роботи з анодами Li та графітом, висвітлюючи, як нестабільна інтерфаза, що утворюється з електролітами графіту та пропіленкарбонату (ПК), перешкоджала початковим дослідженням і була революціонізована зміною на етиленкарбонат (EC) та інші електроліти, які утворюють стабільний SEI з графітовими анодами. Обговорено механізми утворення SEI (двовимірного (2D) та тривимірного (3D)) та продуктів відновлення для різних лінійних та циклічних карбонатних розчинників, що створюють SEI, та описано енергетичні бар'єри для руху Li через міжфазну (Фігура 1). Крім того, обговорюються різні методи характеристики (включаючи ядерно-магнітний резонанс (ЯМР) та рентгенівську фотоелектронну спектроскопію (XPS)) для дослідження складу СЕІ. Охоплюється також розширення до більш вдосконалених анодів, таких як кремній та добавки, що сприяють формуванню СЕІ для різних систем.

Рис. 1.

літієвих

Розділ 6, "Про поверхневу хімію катодних матеріалів для літій-іонних батарей" Сусая Френсіса Амалраджа, Роніта Шарабі, Хадара Склера та Дорона Аурбаха (Університет Бар-Ілана, Ізраїль) містить стислий та практичний вступ до різних типів катодної хімії (включаючи шаруваті оксиди, шпінелі та олівіни) та методи діагностики для оцінки катодно-електролітної інтерфази. Описані такі питання, як розчинення металу з катода та подальше осадження на аноді (що призводить до втрати експлуатаційних якостей) та використання добавок або покриттів активних матеріалів для контролю міжфазного катоду та обмеження небажаних побічних реакцій. Також містяться посилання на докладніші відомості в ряді власних публікацій.

Розділ 7, "Інструменти та методології для характеристики інтерфейсів електрод-електроліт" Джорді Кабани (Національна лабораторія Лоуренса Берклі, США та Університет штату Іллінойс, США), містить детальний та авторитетний вступ до різних методів аналізу інтерфейсів електрод-електроліт. . Електрохімічні методи, різні типи спектроскопії (раманівська, інфрачервона (ІЧ), XPS, ЯМР, рентгенівська та нейтронна методики), еліпсометрія та мікроскопія - все це обговорюється з наочними прикладами. На сьогоднішній день було проведено багато експериментів ex situ, які обов'язково вимагають етапу промивання та видалення електроліту, який може впливати на поверхню, тому досягнення в конструкції комірок, що дозволяють вимірювати присутність електроліту, є ключовими для подальшого прогресу. Крім того, наголошується на важливості поєднання додаткових методів для повної оцінки властивостей інтерфейсу, а також можливих перекриттів з іншими областями електрокаталізу.

Методології моделювання

У главі 8 "Молекулярне моделювання електролітів" Олега Бородіна описуються різні методології моделювання електролітів та наголошується на важливості розгляду кластерів та систем, а не лише окремих молекул та компонентів. Підтвердження моделей щодо експериментальних даних, а також небезпека поєднання експериментальних результатів з різних джерел (де такі деталі, як експериментальні процедури та еталонні шкали, можуть відрізнятися). Описано використання моделювання молекулярної динаміки (МД) для вивчення рухливості Li в SEI та різних анодних підкладках (графіт, титанат літію та титанат лантану літію) і, отже, відокремлення рухливості Li в SEI від ефектів десольватації Li.

У розділі 9 „Прогнозування електрохімічних та адитивних електрохімічних стабільностей” Йохана Шаєрса та Патріка Йохансона (Технологічний університет Чалмерса, Швеція) висвітлено різні підходи до моделювання потенціалів окислення та відновлення розчинників, солей та адитивних компонентів електроліту. Виявляються значні зміни в прогнозованих тенденціях залежно від продуктів реакції (лінійних чи циклічних), шляху, механізму та проміжних продуктів. Знову вказуються питання перехресного порівняння з різними експериментальними результатами в літературі, включаючи різну швидкість розгортки, працюючі електроди, відсікаючі струми, а також коливання опорних енергій. У випадку окисно-відновного човника точні прогнози потенціалів особливо важливі, оскільки їх поведінка пов’язана з безпекою акумулятора. Також обговорюються переваги збільшення потужності комп'ютера, оскільки можуть бути змодельовані більш складні системи, і, зокрема, реалістичні зображення електродних матеріалів, поверхонь та багатокомпонентних систем можна більш точно дослідити.

Майбутні технології: літієві повітряні батареї

Книга закінчується розділом 10 „Апротонні електроліти в літій-повітряних батареях” Ка Чуна Лау, Раджеєва С. Ассарі та Ларрі А. Куртіса (Національна лабораторія Аргонна, США). Теоретично літієві повітряні батареї представляють можливість надзвичайно великої ємності завдяки низьким складовим. Однак відсутність стабільності поточних електролітів у присутності супероксидного радикала, що утворюється в катодній реакції відновлення кисню, вважається найбільшим бар'єром для успіху в цих системах. Протягом багатьох років у повітряних літієвих системах використовувались загальноприйняті літій-іонні електроліти, наприклад ПК. Однак атака супероксиду призводить до утворення незворотних видів карбонату літію, а не бажаної пероксиду літію (Малюнок 2). У цій главі узагальнено методи характеристик, що використовуються для підтвердження непридатності ПК та дещо покращених результатів з розчинником на основі ефіру, та підкреслюється важливість розуміння механізмів реакцій та взаємозв'язку теорії та експерименту, що дозволяє шукати вдосконалену електролітну систему.

Рис.2.

Тороїди пероксиду літію, що утворюються при розряді в повітряному катоді літію. (Фото надано Аналітичним департаментом, Технологічний центр Джонсона Метті, Sonning Common, Великобританія)

Висновки

У книзі з’являються певні теми, зокрема важливість ретельного співвіднесення експериментальних результатів із даними моделювання та розгляду багатокомпонентних систем в реалістичних умовах, а не розглядання окремих складових окремо. Очевидно також, що жодна техніка ніколи не може дати всіх відповідей. Ця книга пропонує чудовий путівник по безлічі варіантів солі, електролітів та добавок та їх функціональних можливостей та властивостей; історичний огляд також особливо корисний тим, хто новачок у цій галузі.

Підводячи підсумок, ця книга буде корисна дослідникам акумуляторів в наукових колах та промисловості, надаючи історичний контекст, довідкову інформацію про широкий спектр електролітних компонентів та їх функціональність та висвітлюючи напрямки подальшої роботи та виклики, які попереду. Використання прикладів для ілюстрації властивостей матеріалів, взаємодії між компонентами, різних аналітичних прийомів та підходів до моделювання особливо корисно поряд з великою кількістю посилань на літературу, цитованих на різні теми.

Список літератури

  1. К. Сю, А. фон Кресче та У. Лі, Лангмюр, 2010, 26, (13), 11538 ПОСИЛАННЯ http://dx.doi.org/10.1021/la1009994

Електроліти для літієвих та літій-іонних батарей

Рецензент

Доктор Сара Болл - старший головний науковий співробітник Технологічного центру Джонсона Метті, Сонінг Коммон, Великобританія. В останні два роки вона брала участь у роботі над літієвими повітряними та літій-іонними батареями. Раніше вона брала участь у дослідженнях паливних елементів на нових катодних матеріалах, включаючи оцінку електрохімічної стабільності, експлуатаційних характеристик та властивостей.

  • Про
    • Редакційна політика
    • Редакційна колегія
    • Команда
    • Інформація для бібліотекарів
    • Політика відкритого доступу
    • Огляд платинових металів
  • Архів журналу
    • 2021-2030
    • 2011-2020
    • 2001-2010
    • 1991-2000
    • 1981-1990
    • 1957-1980
  • Спеціальні випуски
  • Сповіщення
    • Сповіщення електронною поштою
    • Twitter
    • RSS-канал
  • Ресурси
    • Запитання та відповіді
    • Соц.медіа
    • Подальше читання
    • Глосарій