ARTICOLE SIMILARE

Johnson Matthey Technol. Rev. 2015, 59, (1), 30

„Electrolite pentru baterii litiu și litiu-ion”

Editat de T. Richard Jow, Kang Xu, Oleg Borodin (US Army Research Laboratory, SUA) și Makoto Ue (Mitsubishi Chemical Corporation, Japonia), Seria: Aspecte moderne ale electrochimiei, vol. 58, Springer Science + Business Media, New York, SUA, 2014, 476 de pagini, ISBN: 978-1-4939-0301-6, 117,00 GBP, 179,00 USD, 135,19 EUR

  • Recenzat de Sarah Ball
  • Johnson Matthey Technology Center, Blounts Court, Sonning Common, Reading, RG4 9NH, Marea Britanie Email: [email protected]

Sinopsis al articolului

„Electrolite pentru baterii cu litiu și litiu-ion”, publicat în 2014 de Springer, este Volumul 58 din seria Aspecte moderne ale electrochimiei. Volumul este editat de T. Richard Jow, Kang Xu, Oleg Borodin și Makoto Ue. În prefață, editorii și-au stabilit scopul în compilarea acestui volum, care a fost să ofere o imagine de ansamblu cuprinzătoare a electroliților pentru bateriile litiu-ion. Acoperă cercetarea și dezvoltarea electroliților în ultimii zece ani și poate fi folosit ca bază pentru lucrări și direcții viitoare. Volumul reușește să acopere zona multifacetică a electroliților într-un mod logic și extrem de cuprinzător.

Subiectele capitolului includ sărurile de litiu, progresele în solvenți, aditivi și lichide ionice, apoi progresul către înțelegerea interfazelor catodice și anodice, revizuirea diverselor abordări de caracterizare, o discuție despre abordările de modelare și, în cele din urmă, tehnologiile viitoare, cum ar fi bateriile cu aer cu litiu.

Săruri, solvenți și aditivi

Capitolul 1, „Electroliți nonsecși: avansuri în sărurile de litiu” de Wesley A. Henderson (Pacific Northwest National Laboratory, SUA) începe cu informații despre proprietățile de sare dorite, cum ar fi conductivitatea ionică, solubilitatea, stabilitatea (la oxidare și hidroliză) și capacitatea de a se forma o interfază optimă la electrozi. Capitolul oferă apoi o acoperire extrem de cuprinzătoare a diferitelor tipuri de săruri de litiu și a proprietăților lor, variind de la săruri stabilite precum hexafluorofosfatul de litiu (LiPF6) și bis (bistrifluorometansulfonil) imida de litiu (LiTFSI) până la exemple mai avansate, inclusiv organoborați, fosfați și aluminați. . Diagramele structurale sunt incluse pentru toate exemplele care ajută foarte mult cititorul și capitolul se încheie prin evidențierea criteriilor de adoptare pentru săruri noi; capitolul include și peste 700 de referințe.

Capitolul 2, „Electroliți nonsecși cu progrese în solvenți” de Makoto Ue, Yukio Sasaki (Tokyo Polytechnic University, Japonia), Yasutaka Tanaka (Universitatea Shizuoka, Japonia) și Masayuki Morita (Universitatea Yamaguchi, Japonia), analizează proprietățile importante ale solventului, inclusiv conductivitate electrolitică, stabilitate chimică și electrochimică ridicată, gamă largă de temperatură de funcționare și siguranță ridicată. Sunt prezentate diagrame de fază pentru o gamă de amestecuri de solvenți și proprietăți precum vâscozitatea, conductivitatea și stabilitatea sunt discutate pentru o gamă de carbonați ciclici și liniari și versiunile fluorurate ale acestora. Este discutată cerința tipică de a amesteca cel puțin doi electroliți împreună pentru a obține proprietăți optime, de exemplu o combinație a unui carbonat ciclic (constantă dielectrică ridicată pentru a ajuta la disocierea sării) și a unui carbonat liniar (pentru a reduce vâscozitatea), împreună cu beneficiile solvenților fluorurați pentru a crește performanța și stabilitatea electrochimică, utilizarea organoboraților pentru a reduce greutatea, costul și toxicitatea și adăugarea de fosfați ca ignifugi. Se analizează, de asemenea, electroliții din gel polimeric și solvenții care conțin sulf.

Capitolul 3, „Electroliți nonași și avansuri în aditivi” de Koji Abe (UBE Industries Ltd, Japonia), este parțial spus dintr-o perspectivă istorică, dar clasifică și diferitele tipuri de aditivi în funcție de funcția și siguranța lor. Se discută despre adăugarea intenționată de aditivi pentru controlul interfazei electrolitului solid (SEI) prin formarea unui strat subțire controlat cu rezistență mai mică la mobilitatea Li și aditivi pentru formarea unei interfaze catodice stabile. Aspecte de siguranță, cum ar fi adăugarea de specii care pot preveni fuga termică prin polimerizarea suprafeței și aditivi, cum ar fi navetele redox (de exemplu, anisoli) și alte abordări pentru protecția la supraîncărcare și aditivi ignifugi, cum ar fi fosfații, sunt, de asemenea, revizuite.

Capitolul 4, „Progrese recente în lichidele ionice pentru bateriile secundare cu litiu” de Hajime Matsumoto (Institutul Național de Științe și Tehnologii Industriale Avansate (AIST), Japonia) descrie proprietățile benefice ale lichidelor ionice (IL), cum ar fi inflamabilitatea și volatilitatea reduse și capacele exemple de utilizare exploratorie a acestora în celule complete. Evoluții recente importante sunt formularea de noi anioni (în special versiunile asimetrice) care au impact asupra vâscozității și îmbunătățesc mobilitatea/conductivitatea, pentru a obține performanțe comparabile cu electroliții convenționali care utilizează IL-uri. Stabilitatea ridicată raportată pentru IL în analiza componentelor individuale (descompunere termică) se arată, de asemenea, redusă în prezența componentelor active ale bateriei, ilustrând importanța scenariilor de testare realiste.

Interfețe și chimie de suprafață

Capitolul 5, „Interfețe între electroliți și anodi în bateria Li-Ion” de Mengqing Xu, Lidan Xing și Weishan Li (South China Normal University) acoperă interfaza electrodului anodic (denumită SEI). Începe cu o prezentare istorică a lucrărilor inițiale cu anodii Li și grafit, subliniind modul în care interfaza instabilă formată cu electroliți de grafit și carbonat de propilenă (PC) a împiedicat studiile inițiale și a fost revoluționată de schimbarea în carbonat de etilenă (CE) și alți electroliți care formează un SEI stabil cu anodi de grafit. Se discută despre mecanismele de formare a SEI (bidimensional (2D) și tridimensional (3D)) și de reducere a diferitelor specii de solvent carbonat liniar și ciclic care creează SEI și se descriu barierele energetice în mișcarea Li prin interfază (figura 1). În plus, sunt discutate diverse tehnici de caracterizare (inclusiv rezonanța magnetică nucleară (RMN) și spectroscopia fotoelectronică cu raze X (XPS)) pentru a explora compoziția SEI. Extinderea la anodi mai avansați, cum ar fi siliciu și aditivi pentru a ajuta la formarea SEI pentru diferite sisteme, sunt de asemenea acoperite.

FIG. 1.

bateriile

Capitolul 6, „Chimia suprafeței materialelor catodice pentru bateriile Li-Ion” de Susai Francis Amalraj, Ronit Sharabi, Hadar Sclar și Doron Aurbach (Universitatea Bar-Ilan, Israel) oferă o introducere concisă și practică a diferitelor tipuri de chimie a catodului (inclusiv oxizi stratificați, spineli și olivine) și metode de diagnostic pentru a evalua interfaza catod-electrolit. Sunt descrise probleme cum ar fi dizolvarea metalelor din catod și precipitarea ulterioară la anod (care duce la pierderea performanței) și utilizarea aditivilor sau a acoperirilor cu materiale active pentru a controla interfaza catodului și a limita reacțiile secundare nedorite. De asemenea, sunt furnizate referințe la mai multe detalii într-o serie de publicații proprii.

Capitolul 7, „Instrumente și metodologii pentru caracterizarea electrodului - interfețelor electrolitice” de Jordi Cabana (Laboratorul Național Lawrence Berkeley, SUA și Universitatea din Illinois, SUA), oferă o introducere aprofundată și autoritară a diferitelor tehnici de analiză a interfețelor electrod-electrolit . Tehnicile electrochimice, diferite tipuri de spectroscopie (tehnici Raman, infraroșu (IR), XPS, RMN, tehnici de raze X și neutroni), elipsometrie și microscopie sunt toate discutate cu exemple ilustrative. Până în prezent s-au făcut multe experimente ex situ, care necesită în mod necesar o etapă de spălare și îndepărtare a electroliților care poate influența suprafața, astfel încât progresele în proiectarea celulei pentru a permite măsurarea în prezența electrolitului sunt cheia progresului viitor. De asemenea, este subliniată importanța combinării tehnicilor complementare pentru a evalua pe deplin proprietățile interfeței, împreună cu posibile suprapuneri cu alte zone din electrocataliză.

Metodologii de modelare

Capitolul 8, „Modelarea moleculară a electroliților” de Oleg Borodin descrie diferitele metodologii pentru modelarea electroliților și subliniază importanța luării în considerare a clusterelor și sistemelor, mai degrabă decât a moleculelor și componentelor individuale. Validarea modelelor în raport cu datele experimentale și, de asemenea, pericolele combinării rezultatelor experimentale din diferite surse (unde detalii precum procedurile experimentale și scalele de referință pot fi evidențiate). Se descrie utilizarea simulărilor de dinamică moleculară (MD) pentru explorarea mobilității Li în SEI și a diferitelor substraturi anodice (grafit, titanat de litiu și titanat de lantan lantan) și deci decuplați mobilitatea Li în SEI de efectele de desolvatare Li.

Capitolul 9, „Predicția electrolitelor și a stabilităților electrochimice aditive” de Johan Scheers și Patrik Johansson (Universitatea de Tehnologie Chalmers, Suedia), acoperă diferite abordări ale modelării potențialelor de oxidare și reducere a solventului, a sării și a componentelor aditive ale electrolitului. Variații semnificative ale tendințelor prognozate se găsesc în funcție de produsele de reacție (liniare sau ciclice), cale, mecanism și intermediari. Din nou, sunt evidențiate problemele cu comparația încrucișată cu diferite rezultate experimentale din literatură, inclusiv rate variabile de măturare, electrozi de lucru, curenți tăiați și, de asemenea, variații ale energiilor de referință. În cazul navetei redox, predicțiile exacte ale potențialelor sunt deosebit de importante, deoarece comportamentul lor se leagă de siguranța bateriei. Sunt discutate, de asemenea, avantajele creșterii puterii computerului, deoarece pot fi modelate sisteme mai complexe și, în special, pot fi explorate mai precis reprezentările materialelor, suprafețele și sistemele multicomponente ale electrodului.

Tehnologii viitoare: Baterii de aer cu litiu

Cartea se închide cu capitolul 10, „Aprotic Electrolytes in Li-Air Batteries” de Kah Chun Lau, Rajeev S. Assary și Larry A. Curtiss (Laboratorul Național Argonne, SUA). Bateriile cu aer cu litiu prezintă, teoretic, posibilitatea unor capacități excepțional de mari datorită componentelor lor cu masă redusă. Cu toate acestea, lipsa de stabilitate a electroliților curenți în prezența radicalului superoxid generat în reacția de reducere a oxigenului catodic este considerată a fi cea mai mare barieră în calea succesului în aceste sisteme. Mulți ani electroliții Li-ion obișnuiți, cum ar fi PC-ul, au fost folosiți în sistemele de aer cu litiu. Cu toate acestea, atacul superoxid are ca rezultat formarea de specii de carbonat de litiu ireversibile, mai degrabă decât peroxidul de litiu dorit (Figura 2). Acest capitol rezumă metodele de caracterizare utilizate pentru a confirma inadecvarea PC-ului și rezultatele oarecum îmbunătățite cu solvent pe bază de eter și subliniază importanța înțelegerii mecanismelor de reacție și a teoriei de interconectare și a experimentului pentru a permite căutarea unui sistem electrolitic îmbunătățit.

FIG. 2.

Toroizi de peroxid de litiu s-au format la descărcare într-un catod de aer de litiu. (Imagine oferită de Departamentul de analiză, Johnson Matthey Technology Center, Sonning Common, Marea Britanie)

Concluzii

De-a lungul cărții apar anumite teme, inclusiv importanța corelării cu atenție a rezultatelor experimentale cu modelarea datelor și abordarea sistemelor multicomponente în condiții realiste, mai degrabă decât luarea în considerare a constituenților individuali în mod izolat. De asemenea, este evident că nicio tehnică nu poate oferi vreodată toate răspunsurile. Această carte oferă un ghid excelent pentru multitudinea de opțiuni de sare, electroliți și aditivi și funcționalitățile și proprietățile acestora; prezentarea istorică este, de asemenea, deosebit de utilă pentru cei care sunt noi în domeniu.

Pe scurt, această carte va fi utilă cercetătorilor în domeniul bateriilor din mediul academic și din industrie, oferind context istoric, informații de referință despre o gamă largă de componente electrolitice și funcționalitatea acestora și subliniind direcțiile pentru lucrări ulterioare și provocările care urmează. Utilizarea de exemple pentru a ilustra proprietățile materialelor, interacțiunea dintre componente, diferitele tehnici analitice și abordări de modelare este deosebit de utilă împreună cu numărul mare de referințe bibliografice citate pe diferite subiecte.

Referințe

  1. K. Xu, A. von Cresce și U. Lee, Langmuir, 2010, 26, (13), 11538 LINK http://dx.doi.org/10.1021/la1009994

Electroliți pentru baterii litiu și litiu-ion

Recenzorul

Dr. Sarah Ball este om de știință principal principal la Johnson Matthey Technology Center, Sonning Common, Marea Britanie. În ultimii doi ani, ea a fost implicată în lucrări cu baterii litiu-aer și litiu-ion. Anterior, ea a fost implicată în cercetarea celulelor de combustibil pe materiale catodice noi, inclusiv evaluarea stabilității, performanței și proprietăților electrochimice.

  • Despre
    • Politica editorială
    • Comitetul editorial
    • Echipa
    • Informații pentru bibliotecari
    • Politica de acces deschis
    • Platinum Metals Review
  • Arhiva Jurnalului
    • 2021-2030
    • 2011-2020
    • 2001-2010
    • 1991-2000
    • 1981-1990
    • 1957-1980
  • Numere speciale
  • Alerte
    • Alerte prin e-mail
    • Stare de nervozitate
    • Flux RSS
  • Resurse
    • Întrebări și răspunsuri
    • Rețele sociale
    • Lecturi suplimentare
    • Glosar