L’électrolyte, à la base des batteries ion-lithium, joue un rôle clé dans le transport des ion-lithium positifs entre la cathode et l’anode, et par conséquent dans la performance de charge et de décharge de la batterie. Il faut donc vérifier pour détecter d’éventuelles impuretés. En même temps, l’électrolyte est aussi un type d’échantillon qui permet d’étudier les processus de vieillissement, car des produits de dégradation de tous les composants de la batterie peuvent s’y accumuler au fil du temps.
L’électrolyte est constitué d’un sel conducteur dans un solvant organique
Le sel électrolytique le plus courant est l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), mais il existe aussi le perchlorate de lithium (LiClO₄), le tétrafluoroborate de lithium (LiBF₄), l’hexafluoroarsénate de lithium (LiAsF₆), l’hexafluorosilicate de lithium (LiSiF₆) et le tétraphénylborate de lithium (LiB(C₆H₅)₄). L’électrolyte dans les batteries lithium-ion est souvent un mélange de sels de lithium et de solvants organiques supplémentaires.
Compte tenu de la variété de composés chimiques dans l’électrolyte (sels, espèces ioniques, solvants organiques, métaux, etc.), différentes techniques analytiques sont nécessaires selon le défi analytique. Par exemple, les anions de sels de lithium peuvent être déterminés par chromatographie ionique (IC) afin de s’assurer que les solutions ont été préparées aux concentrations appropriées. La chromatographie en phase gazeuse ou la chromatographie en phase gazeuse–spectrométrie de masse (GC-MS) peut être utilisée pour obtenir la composition qualitative et quantitative des solvants organiques dans les électrolytes et les sous-produits du vieillissement.
L’électrolyte joue un rôle clé dans le transport des ions lithium positifs entre la cathode et l’anode
L’électrolyte le plus couramment utilisé est composé de sel de lithium, comme le LiPF6 en solution organique.
L’électrolyte est appliqué sous forme liquide qui nécessite un processus de mélange. Ce processus vise à s’assurer que les composants dont l’électrolyte est formé sont correctement mélangés. Ainsi, un bon mélange avec un type d’agitateur adapté est d’une grande importance !
L’électrolyte joue un rôle central en tant que l’un des quatre principaux composants d’une batterie
Une batterie ion-lithium utilise des électrolytes liquides. Il permet aux ions lithium (Li+) de passer entre l’anode et la cathode, stabilise les surfaces de la cathode et de l’anode, prolonge la durée de vie de la batterie et améliore les performances des cellules !
En résumé, les électrolytes liquides servent de « liquide qui permet le déplacement des ions lithium » entre la cathode et l’anode. L’électrolyte est le meilleur conducteur qui conduit rapidement et en toute sécurité pour les ions lithium.
Les électrolytes liquides sont composés de sel de lithium, de solvant organique et d’additifs
Le sel de lithium le plus couramment utilisé est le LiPF6 (composé de lithium·phosphate·fluor). LiPF6 offre un meilleur mouvement des ions, une meilleure dissolution et une meilleure stabilité chimique.
Sel de lithium, passage des ions lithium
Le sel de lithium sert de passage pour les ions lithium. Ainsi, les ions lithium doivent être facilement dissous par un bon mélange et dissociés dans un solvant. Ces ions dissociés se déplacent alors en douceur, étant correctement mélangés dans le liquide.
Solvant organique, le liquide qui dissout le sel de lithium
Le solvant organique dissout le sel de lithium lorsqu’il est correctement mélangé par un agitateur et facilite le voyage des ions lithium. Il existe certaines exigences pour les solvants organiques. Les solvants organiques doivent avoir une grande solubilité pour le sel de lithium afin de séparer les composés ioniques, et une faible viscosité pour un mouvement fluide des ions lithium.
Elle varie selon les solvants, mais pour avoir une conductivité ionique élevée, il faut envisager la combinaison du carbonate cyclique avec une solubilité élevée pour le sel de lithium, et du carbonate en chaîne à faible viscosité.
Un solvant doit aussi avoir une faible réactivité chimique. Le lithium réagit souvent à l’eau, donc le solvant des électrolytes liquides ne devrait pas répondre à l’eau. Parmi les solvants organiques utilisés dans la solution électrolytique figurent le carbonate d’éthylène, le carbonate de diéthyle, le carbonate de diméthyle, le carbonate de méthyle éthyle, le carbonate de propylène, le carbonate de méthyle, l’acrylate de méthyle, le butylate de méthyle et l’acétate d’éthyle.
Et maintenant, nous en venons à l’additif ;
L’additif, une substance qui détermine les électrolytes liquides.
L’additif, une substance ajoutée en petites quantités, forme un film protecteur sur les surfaces de la cathode et de l’anode de la batterie ion-lithium. Il facilite le déplacement des ioniques lithium entre la cathode et l’anode, et prévient la dégradation de la batterie.
Les additifs sont divisés en deux catégories : les additifs cathodes et les additifs d’anode. Les additifs cathodes stabilisent la structure cathodique et protègent la surface pour prévenir le vieillissement de la batterie, réduisant ainsi la surchauffe et la surcharge. Des additifs tels que le carbonate de vinylène (VC) et le carbonate de fluoroéthylène (FEC) sont couramment ajoutés à l’électrolyte pour améliorer les performances globales des batteries lithium-ion. Le carbonate de vinylène est largement utilisé comme additif électrolytique pour les batteries lithium-ion, où il favorise la formation d’un film insoluble entre l’électrolyte et l’électrode négative : l’interface solide-électrolyte (SEI). Ce film polymère permet la conduction ionique, mais empêche la réduction de l’électrolyte au niveau de l’électrode négative (graphite) et contribue de manière significative à la stabilité à long terme des batteries lithium-ion.
Les additifs d’anode sont dissous avant un solvant, créant un film solide dans l’anode pour prolonger la durée de vie, éviter la surchauffe et maintenir la capacité de la batterie.
Les additifs cathodiques et anodiques doivent être bien dissous dans des électrolytes liquides au moyen d’un agitateur bien sélectionné et chimiquement stables. Par conséquent, différents additifs sont utilisés selon les spécifications requises ou selon les usages.
Les additifs, en revanche, ne consomment qu’une petite partie de l’électrolyte liquide. Pourtant, ils jouent un rôle crucial dans l’ensemble du système en augmentant la durée de vie, en améliorant les problèmes de haute température et en réduisant la résistance.
L’électrolyte liquide est « un milieu qui déplace les ions lithium rapidement et en toute sécurité », il devrait donc pouvoir faire circuler les ions en douceur. Et il doit être chimiquement stable électriquement pour ne pas compromettre les performances de la batterie.
Car dans certains cas, les électrolytes liquides réagissent latéralement pendant que la batterie fonctionne. Le point de congélation doit être bas et le point d’ébullition élevé afin que la batterie puisse fonctionner à tout moment.
Maintenant, quel type d’agitation ou d’éléments de mélange est le meilleur choix pour s’assurer que les ingrédients de l’électrolyte sont correctement mélangés ?
Jongia Mixing Technology possède de nombreuses expériences dans la sélection de mélangeurs adaptés à la production d’électrolytes. Comme la viscosité des composants pour l’électrolyte est assez faible et que les chlorures de lithium doivent éviter de s’enfoncer, Jongia Mixing Technology sélectionnera un agitateur avec des éléments de mélange multi-étages avec des turbines axiales. Ces turbines créeront un écoulement suffisant de haut en bas, sans cisaillement trop élevé et sans consommer la puissance la plus faible. Si le réservoir d’électrolytes a une forme de fond conique ou sphérique, Jongia ajoutera un agitateur de repos pour s’assurer que tous les composants seront correctement mélangés sur tout le volume du récipient électrolytique.
Qu’est-ce qui est le plus important pour choisir le mélangeur d’électrolytes le plus optimal ?
La géométrie du réservoir d’électrolytes, combinée à la déviation des composants électrolytiques, doit être claire afin de sélectionner l’agitateur le plus approprié.
Jongia Mixing Technology est toujours en mesure d’aider à guider la sélection de la configuration de l’agitateur. Il suffit de contacter Jongia et de demander de l’aide.
Nous sommes toujours disponibles pour vos demandes de mixeurs.
Contactez-nous à : info@jongia.com ou consultez la page Batteries de notre site web pour plus d’articles sur les batteries ion-lithium.
Cet article a été rédigé en s’appuyant sur certaines informations provenant des sites web suivants : Samsungsdi.com et Wikipédia
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