Elektrolit, nepogrešljiva sestavinalitij{0}}ionske baterije, igra ključno vlogo pri ciklih polnjenja-praznjenja baterije.
Ne le da je odgovoren za učinkovit transport litijevih ionov in prevajanje toka, ampak ima tudi elektronske izolacijske lastnosti za učinkovito preprečevanje neposrednega pretoka elektronov med pozitivno in negativno elektrodo. Figurativno povedano, je elektrolit kot "kri" v litij-ionski bateriji, ki zagotavlja povezavo med materiali pozitivne in negativne elektrode, s čimer zagotavlja nemoten potek celotnega procesa-praznjenja.
Idealen elektrolit za litij{0}}ionsko baterijo mora izpolnjevati naslednjih pet zahtev:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V proti Li+/Li).
(3) Dobra združljivost z elektrodami, ohranja najnižji možni medfazni upor.
(4) Odlična toplotna in kemična stabilnost, ki omogoča varno delovanje baterije v širokem temperaturnem območju.
(5) Nizki stroški, nizka strupenost in okolju prijazni.
Zaradi vedno večjih-povpraševanj po energijski gostoti baterije in gostoti moči se tehnologija baterij hitro razvija, materiali za elektrode pa so izjemno napredovali. Nasprotno pa je razvoj elektrolitskih sistemov zaostal. Trenutno lahko razvoj litij-ionskih baterijskih elektrolitov na splošno razvrstimo v tri vrste: ne-vodne elektrolite s topili, vodne elektrolite in-elektrolite v trdnem stanju.
Ne{0}}vodni elektrolit topila
Ne{0}}elektroliti z vodnimi topili v litij-ionskih baterijah se nanašajo na elektrolitske sisteme, ki ne vsebujejo vode in so v glavnem sestavljeni iz topil, raztopljenih snovi (običajno litijevih soli) in dodatkov. Ta ne-vodna topila so običajno organska in ne vodna topila, da bi se izognili elektrolizi vode ali neželenim reakcijam z materiali elektrod. Litijeve soli so primarni nosilci za transport litij-ionov, topila služijo kot raztapljanje, disperzija in podpora za litijeve soli, dodatki pa delujejo predvsem za izboljšanje elektrokemične učinkovitosti ali varnosti litij-ionskih baterij.
Komercialno dostopni elektroliti (tj. tekoči elektroliti), ki se uporabljajo v litij-ionskih baterijah, so v prvi vrsti sestavljeni iz ene ali več litijevih soli, raztopljenih v dveh ali več organskih topilih; elektroliti, sestavljeni iz enega samega topila, so zelo redki. Razlog za uporabo več topil je, -da imajo baterije v resničnem svetu različne, celo protislovne zahteve, ki jih je težko izpolniti z enim samim topilom. Na primer, elektroliti lahko zahtevajo visoko fluidnost, hkrati pa imajo visoko dielektrično konstanto; zato se topila z različnimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi pogosto uporabljajo v kombinaciji, ki kažejo različne lastnosti hkrati. Poleg tega se litijeve soli na splošno ne uporabljajo sočasno, ker je izbor litijevih soli omejen in njihove prednosti niso zlahka očitne.
Idealna organska topila bi morala imeti naslednje ključne lastnosti: Prvič, potrebujejo visoko dielektrično konstanto, da zagotovijo dobro raztapljanje litijevih soli; drugič, imeti morajo nizko tališče in visoko vrelišče, da se razširi območje delovne temperature elektrolita; tretjič, nizka viskoznost pomaga spodbujati učinkovito migracijo litijevih ionov v mediju; in končno, ta topila bi morala biti poceni in nizko strupena (v idealnem primeru ne-strupena). Karbonatne spojine, kot ena izmed prvih in najpogosteje uporabljenih organskih topil v industriji litij-ionskih baterij, zavzemajo ključno mesto na področju baterijskih elektrolitov.
Trenutno ta vrsta topila vključuje predvsem dve strukturni obliki: ciklično in verižno. Spodnja tabela povzema ustrezne fizikalne parametre več pogosto uporabljenih ne-vodnih topil, elektrolitov in organskih topil.
| Kategorija | Vrsta | Struktura | Tališče (stopnja) | Vrelišče (stopnja) | Individualni parni tlak (25 stopinj) | Relativna gostota (25 stopinj)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Etilen karbonat (EC) | Ciklično | 36.4 | 248 | 89,780 | 1,904 (40 stopinj) | |
| Propilen karbonat (PC) | Ciklično | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Karbonati | Butilen karbonat (BC) | Ciklično | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Dimetil karbonat (DMC) | Linearno | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| dietil karbonat (DEC) | Linearno | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Etil metil karbonat (EMC) | Linearno | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Trenutno se alkilkarbonatna topila pogosto uporabljajo v elektrolitih. Ta topila imajo dobro odpornost proti oksidaciji in izkazujejo odlično stabilnost v pogojih visoke napetosti. Ciklični karbonati, kot sta etilen karbonat in propilen karbonat, so znani po svojih visokih dielektričnih konstantah, kar pomeni, da lahko učinkoviteje raztopijo litijeve soli; vendar imajo ta topila zaradi močnih medmolekularnih sil visoko viskoznost, ki upočasnjuje gibanje litijevih ionov v njih. Nasprotno pa imajo verižni karbonati, kot sta dimetil karbonat in dietil karbonat, čeprav imajo nižjo viskoznost, tudi relativno nizke dielektrične konstante, kar ima za posledico relativno slabo učinkovitost raztapljanja litijevih soli. Zato se za pripravo sistemov raztopin z vrhunsko ionsko prevodnostjo pogosto mešajo različne vrste topil, kot so kombinacije PC+DEC ali EC+DMC. Litijeve soli kot vir litijevih ionov v elektrolitu igrajo pomembno vlogo pri transportu litij-ionskih ionov med procesom polnjenja in praznjenja litij-ionskih baterij. Njihovo delovanje neposredno vpliva na številne vidike litij{10}}ionskih baterij, vključno z gostoto energije, gostoto moči, obsegom delovne napetosti, življenjsko dobo in varnostjo. Trenutno so v laboratorijskih raziskavah in industrijski praksi tipično izbrane litijeve soli z velikimi anionskimi radiji in visoko redoks stabilnostjo. Glede na njihovo kemično sestavo lahko litijeve soli na splošno razvrstimo v dve kategoriji: anorganske litijeve soli in organske litijeve soli. Razvitih je bilo več anorganskih litijevih soli, vključno z LiPF6, LiClO4, LIBF in LIASF. Nasprotno pa so običajno uporabljene organske litijeve soli v litij-ionskih baterijah oblikovane z dodajanjem elektron-odvzemnih skupin anionom teh anorganskih litijevih soli, kot so litijev dioksalato-borat (LiBOB), litijev difluorooksalato-borat ([iODFB]), litij difluorosulfonimid (LiFSI) in litijev ditrifluorometilsulfonimid (LTFSI). Spodnja tabela prikazuje ustrezne fizikalno-kemijske lastnosti več pogosto uporabljenih litijevih soli v litij-ionskih baterijah.
| Kategorija | Litijeva sol | Molekulska masa (g/mol) | Topen v karbonatih? | Topen v vodi? | Električna prevodnost (1 mol/L, EC/DMC, 20 stopinj) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Anorganske litijeve soli | LiPF₆ | 151.91 | ja | ja | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | ja | ja | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | ja | ja | 9.00 | |
| Organske litijeve soli | LiTFSI | 287.08 | ja | ja | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | ja | ja | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | ja | ja | 0.65 |
Aditivi so snovi, dodane elektrolitu v nizkih koncentracijah (običajno ne več kot 10 % mase), ki imajo posebne funkcije in lahko bistveno izboljšajo elektrokemične lastnosti baterije. Glede na njihove funkcije lahko te aditive na splošno razvrstimo v več kategorij: aditive za-tvorbo filma, zaviralce gorenja in aditive za preprečevanje prekomernega polnjenja. Poleg tega obstajajo dodatki, ki se uporabljajo za izboljšanje prevodnosti, optimizacijo delovanja pri nizkih-temperaturnih pogojih ali nadzorovanje sledov in koncentracij HF v raztopini elektrolita.