Effets des solvants des batteries lithium-ion et des sels de lithium sur le mouillage des électrodes
À l'heure actuelle, les batteries lithium-ion ont été largement développées dans les domaines des équipements électroniques 3C, des véhicules électriques et du stockage d'énergie. La demande du marché pour des batteries lithium-ion offrant une densité énergétique plus élevée et de meilleures performances a fortement augmenté. Dans le développement de batteries lithium-ion à haute densité énergétique, comment améliorer l'utilisation de la capacité des électrodes et améliorer la difficulté d'infiltration causée par une densité de compactage élevée sont des défis techniques clés, l'amélioration efficace de la mouillabilité de l'électrolyte a été identifiée comme le clé pour résoudre ce problème. Dans la fabrication de batteries lithium-ion, un mouillage inégal entraînera une distribution inégale de la densité de courant et la formation d'un film d'interface électrolytique (SEI) instable ; dans le même temps, une infiltration incomplète affecte directement les performances de la batterie, entraînant l'apparition de dépôts de lithium et déclenchant une série de problèmes de sécurité. En bref, la matière première électrolyte pour les batteries lithium-ion est au cœur de la recherche et du développement des batteries lithium-ion. La prise en compte et l’évaluation de la mouillabilité de l’électrolyte par l’électrode sont la clé du développement de batteries lithium-ion hautes performances.
L'électrolyte des batteries lithium-ion utilise généralement un électrolyte organique, qui présente une bonne stabilité. L'électrolyte organique contient principalement des sels de lithium, des solvants et des additifs. La concentration et le type de chaque pièce affectent directement les performances de l'électrolyte et de la batterie ; La figure 1 est un aperçu de la recherche liée aux électrolytes. Selon les statistiques, les solvants représentent 85 % de la masse et 30 % du coût de l'électrolyte ; L'électrolyte représente 6 à 8 % du coût des batteries de puissance (le coût de l'électrolyte dans les matériaux de base de batterie NCM523 traditionnels représente environ 5,6 %, et le coût des électrolytes dans les matériaux de batterie au lithium fer phosphate (LFP) représente environ 8,5 %. %) ; Les batteries de puissance représentent 40 % des coûts des véhicules à énergie nouvelle. Des statistiques complètes indiquent que les solvants représentent 1,8 à 2,4 % du coût des batteries électriques et 0,72 à 0,96 % du coût des véhicules à énergie nouvelle. L'électrolyte utilise un"système de solvants mixtes", dont 95% sont"solvants carbonatés", qui sont divisés en carbonates cycliques et carbonates à chaîne selon leurs structures, notamment le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate de diéthyle (DEC), le carbonate d'éthyle et de méthyle (EMC), le carbonate d'éthylène (EC), le carbonate de propylène (PC). La fonction principale du solvant est de dissoudre les sels de lithium et de former des ions conducteurs ; les sels de lithium jouent principalement le rôle d'apport d'ions conducteurs. L'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) est actuellement le sel de lithium le plus couramment utilisé. La viscosité de l'électrolyte est déterminée conjointement par le sel de lithium et le solvant, et la viscosité est directement liée à la mouillabilité de l'électrolyte.
Figure 1. Aperçu de la recherche relative aux électrolytes
Cet article combine principalement le système de mouillage d'électrolyte (EWS1100) développé par IEST et utilise différents solvants et électrolytes pour évaluer les différences de mouillabilité capillaire et fournit une solution de test réalisable pour les différences de mouillabilité de différents systèmes de solvants et d'électrolytes.
Cet article est principalement basé sur le système de test d'infiltration capillaire, combiné à différentes densités de compactage des plaques d'électrodes négatives pour des tests systématiques, afin d'évaluer les différences de mouillabilité des plaques d'électrodes sous différentes densités de compactage.
Équipement expérimental et méthodes de test
1. Équipement expérimental : Modèle EWS1100 (IEST).
L'apparence de l'équipement est illustrée à la figure 2.
Figure 2. Schéma de principe de l'équipement EWS1000
2. Préparation et tests des échantillons
2.1 Préparation des échantillons : utilisez quatre solvants de PC\DEC\DMC\EMC et quatre électrolytes de L01\L02\L03\L04 pour effectuer des tests de mouillage sur la même électrode.
2.2 Processus de test : Prétraitement de l'échantillon à tester → Fixation standardisée de l'échantillon → Connexion de l'équipement et conception des paramètres logiciels → Aspiration capillaire automatique → Test automatique de pression capillaire → Surveillance en temps réel du niveau de liquide capillaire par le système de reconnaissance visuelle → Données collecte et traitement.
3.Principe de test
Système de mouillage d'électrolyte (EWS1100), il peut évaluer quantitativement la différence d'infiltration d'électrolyte entre différentes plaques d'électrodes positives et négatives et séparateurs, fournissant ainsi une méthode efficace pour l'évaluation de l'infiltration d'électrolyte. La figure 3 est un diagramme schématique du principe de test de la méthode d'infiltration capillaire. Le tube capillaire en verre est en contact avec la surface de la pièce polaire et l'électrolyte est injecté dans le capillaire. À mesure que l'électrolyte continue de s'infiltrer dans le revêtement, le niveau de liquide capillaire continue de diminuer. Le système de reconnaissance visuelle enregistre la hauteur du niveau de liquide du capillaire en temps réel. Le processus d'évolution dynamique du niveau de liquide est le processus en temps réel d'infiltration d'électrolyte. Le changement de hauteur correspond à la quantité d’infiltration d’électrolyte.
Figure 3. Principe de test de la méthode de mouillage capillaire
Résultats des tests de mouillage
Les solvants pour batteries lithium-ion utilisent généralement des solvants organiques à constante diélectrique élevée et à faible viscosité. Plus la constante diélectrique est élevée, plus il est facile pour les sels de lithium de se dissoudre et de se dissocier ; plus la viscosité est faible, plus les ions se déplacent rapidement. Cependant, les solvants ayant des constantes diélectriques élevées ont généralement une viscosité élevée, et les solvants ayant une faible viscosité ont de faibles constantes diélectriques. Par conséquent, dans les applications pratiques, plusieurs solvants sont généralement mélangés pour obtenir le système électrolytique optimal. Par rapport à l'étude de systèmes mixtes, l'évaluation des performances d'un système unique constitue la base d'une recherche et d'un développement systématiques d'électrolytes. Dans cette expérience, quatre solvants ayant des propriétés différentes (par exemple, le tableau 1 montre les indicateurs de propriétés physiques des quatre solvants) ont d'abord été sélectionnés pour effectuer une caractérisation de l'infiltration capillaire au niveau de la pièce polaire afin d'évaluer les différences d'infiltration de différents solvants selon cette méthode.
Tableau 1. Propriétés physiques de divers solvants
Combiné avec l'équipement d'infiltration d'électrolyte de la série EWS1100, un tube capillaire de 10 µl a été utilisé pour évaluer les différences entre différents solvants sur la même pièce polaire, et les données ont été normalisées. Par exemple, le tableau 2 montre les résultats de comparaison des données de quantité d'infiltration de différents solvants, et la figure 4 montre les courbes de comparaison d'infiltration de différents solvants. La pente de la courbe montre clairement qu’il existe des différences évidentes dans l’infiltration entre les différents solvants. parmi eux, DMC a réalisé toute l'infiltration du liquide échantillonné en 20 secondes environ ; à en juger par les résultats de la quantité d'infiltration en 10 secondes et 20 secondes, les deux ont montré la tendance d'infiltration de PC＜DEC＜EMC＜DMC. Cette tendance est opposée au résultat de la viscosité du solvant. par conséquent, la viscosité est un indicateur clé dans le développement et l’utilisation de solutions électrolytiques commerciales. De plus, une température appropriée doit généralement être fournie pendant l’étape d’injection de la cellule. En effet, une augmentation appropriée de la température peut réduire la viscosité de l'électrolyte, accélérant ainsi le processus d'injection et d'infiltration.
Tableau 2. Différences de mouillabilité des différents solvants
Figure 4. Courbes de mouillage capillaire de quatre solvants différents
Le sel de lithium électrolytique constitue la base de la conduction des ions lithium. Un sel de lithium approprié doit avoir une bonne stabilité thermique et être difficile à décomposer, une conductivité ionique élevée, une bonne stabilité chimique et électrochimique et un faible coût ; Bien qu’il existe de nombreux types de sels de lithium, ceux adaptés aux batteries lithium-ion sont très limités. Actuellement, les sels de lithium couramment utilisés dans les laboratoires et dans la production industrielle choisissent généralement des sels de lithium avec un rayon anionique plus grand et une oxydation et une réduction stables, parmi lesquels l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) est actuellement le sel de lithium le plus utilisé dans les batteries lithium-ion. Cette expérience combine différents solvants pour effectuer des ratios d'électrolytes avec une concentration fixe de sel de lithium et prépare des électrolytes avec quatre ratios comme indiqué dans le tableau 3. Les principaux composants sont basés sur PC, EMC, DMC et DEC avec l'ajout de 1M LiPF.6, en combinaison avec ces quatre électrolytes, le test de mouillabilité selon le principe capillaire a été réalisé.
Tableau 3. Ingrédients de quatre systèmes électrolytiques
Par exemple, le tableau 4 montre les résultats de comparaison des données de quantité d'infiltration de quatre systèmes électrolytiques sur la base de différents rapports de solvants. La figure 5 montre les courbes comparatives d'infiltration capillaire de différents électrolytes. D'après la pente de la courbe, il existe des différences évidentes dans les conditions d'infiltration des quatre électrolytes ; À partir du tableau des quantités d’infiltration, la tendance d’infiltration L01Combinée à l'analyse des composants de l'électrolyte, cette tendance est cohérente avec la tendance du solvant pur sans ajout de sel de lithium, mais par rapport au solvant pur, la mouillabilité de l'électrolyte est réduite après l'ajout de sel de lithium. En comparant le DMC avec le L03 auquel on a ajouté 1 M de sel de lithium, le DMC a réalisé toute l'infiltration liquide initiale en 20 secondes environ, tandis que le L03 n'a complété que 34,8 % du volume de liquide initial en 50 secondes (volume d'infiltration en 50 secondes/hauteur du niveau de liquide initial) ); ce résultat considère principalement que l'ajout de sel de lithium au solvant augmente la viscosité du liquide, et le changement de viscosité conduit directement à la diminution de la mouillabilité de l'électrolyte.
Tableau 4. Différences de mouillabilité des différents électrolytes
Figure 5. Courbes de mouillage capillaire de quatre électrolytes différents
Conclusion
L'électrolyte utilisé dans les batteries lithium-ion est un sel de lithium avec une concentration appropriée dissous dans une solution mixte organique aprotique. Un électrolyte commun est généralement un système composé d’un solvant carbonate mixte à une concentration en sel de lithium de 1 M. La sélection du sel de lithium, du solvant et la qualité du système électrolytique déterminent l'efficacité du cycle, la tension de fonctionnement, la température de fonctionnement et la durée de vie de la batterie, et jouent un rôle décisif dans les performances globales de la batterie. La viscosité de l'électrolyte est la clé de la mouillabilité. Cet article évalue la différence de mouillabilité de solvants avec différentes viscosités et solutions après ajout de sels de lithium, et clarifie l'impact de la viscosité sur la mouillabilité. Pendant le processus de développement de la formule électrolytique proprement dite, son évaluation de l’infiltration au niveau des pôles peut être utilisée comme indicateur de référence important.
Littérature de référence
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