توسعه اخیر در الکترولیت‌های مبتنی بر مایع یونی در باتری‌های لیتیوم-یون

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل چگالی انرژی بالا، فناوری­‌های امیدوارکننده‌­­ای برای ذخیره‌­سازی انرژی در مقیاس بزرگ هستند. با ­این حال، نگرانی­‌هایی درمورد ایمنی باتری­‌های لیتیوم-یون سنتی بخاطر استفاده از الکترولیت­‌های قابل اشتعال برپایه مواد آلی، کاربرد عملی آنها را به­ شدت مختل نموده است. مایعات یونی (ILs) نمک‌­های مذابی هستند که نقطه ذوب آنها کمتر ­از 100درجه سانتیگراد است. خواص فیزیکوشیمیایی منحصر­ به­‌فرد مایعات یونی شامل گستره پایداری الکتروشیمیایی، هدایت یونی بالا، پایداری حرارتی برتر و غیرقابل ­اشتعال بودن است. مایعات یونی به­‌عنوان اجزای الکترولیت، عملکرد ایمنی و الکتروشیمیایی بهبودیافته‌­ای را در باتری­‌های لیتیوم-یوم از خود نشان داده‌­اند. این مقاله توسعه اخیر مایعات یونی و الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایعات یونی را از نظر خواص فیزیکوشیمیایی، توانایی تشکیل فصل مشترک و عملکرد الکتروشیمیایی در باتری­های لیتیوم-یون خلاصه می‌نماید. کاربرد­های الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایع یونی خالص، الکترولیت­‎‌های هیبریدی مایع یونی و الکترولیت‌های مایع یونی حالت جامد (شبه جامد) به تفصیل مورد ­بحث قرار گرفته­‌اند. درنهایت چالش­‌ها و دیدگاه­‌های کاربرد الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایع یونی در باتری­‌های لیتیوم-یون نیز برای پیشرفت­‌های آینده ارائه شده‌­اند.

نتیجه­‌گیری و چشم‌­انداز

برای دستیابی به عملکردهای الکتروشیمیایی بهبودیافته ازجمله چگالی انرژی بالا، چرخه عمر طولانی و ایمنی، تحقیقات فشرده­‌ای بر توسعه الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایع یونی (IL)[1] برای باتری­‌های لیتیوم–یون، اختصاص یافته ­است. در این بررسی، پیشرفت‌های اخیر در توسعه الکترولیت‌های مبتنی بر IL برای باتری‌های لیتیوم-یون خلاصه شده است. خواص فیزیکوشیمیایی، ساختار و کاربرد الکترولیت‌­های مختلف مبتنی‌­بر IL به­‌طور سیستماتیک مورد بحث قرار گرفته است. به‌­طور معمول خواص فیزیکوشیمیایی الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL توسط ترکیب شیمیایی و برهمکنش­‌های یونی جفت­‌های آنیون/کاتیون تعیین می­‌گردند. IL­ها غیرقابل اشتعال بوده و پایداری حرارتی بسیار خوبی را از خود نشان­ می‌­دهند و دمای شروع تجزیه را بالاتر از 200 درجه سانتیگراد نشان می­‌دهند که عملکرد الکتروشیمیایی برتر باتری‌­های لیتیوم-یون را در محدوده دمایی بالا تضمین می‌­نماید. علاوه‌­بر این بسیاری از الکترولیت­‌های مبتنی‌­بر IL دارای دامنه گسترده‌­تری از پایداری الکتروشیمیایی نسبت به الکترولیت‌های مبتنی‌­بر مواد تجاری آلی هستند که همین مسئله به الکترولیت­های IL اجازه می­دهد با مواد کاتدی ولتاژ بالا مطابقت داشته­ باشد. علاوه براین طراحی منطقی الکترولیت‌­های هیبریدی بر پایه IL از جمله الکترولیت هیبریدی حلال آلی-IL، الکترولیت مبتنی‌­بر IL مخلوط کاتیون/آنیون، و الکترولیت هیبریدی آب-IL می­‌تواند عملکرد الکتروشیمیایی (شامل ویسکوزیته، رسانایی، توانایی تشکیل  جامد الکترولیتی SEI))[2] و …)، را افزایش‌­دهد که این امر برای باتری‌­های لیتیوم-یون مختلف نویدبخش است.

علی­‌رغم مزایای موجود، باید برای کاربرد عملی الکترولیت‌­های برپایه IL بر چالش­‌ها غلبه گردد. اولاً، اگرچه می‌­توان دامنه پایداری الکتروشیمیایی نسبتاً وسیعی را با استفاده ­از الکترولیت‌­های مبتنی­‌بر IL به‌دست آورد، ولی همچنان پایداری الکتروشیمیایی برخی از الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL (به‌عنوان مثال الکترولیت مبتنی‌­بر ایمیدازولیوم[3]) در­ محدوده پایین کاتدی، مشکل‌­ساز است. از آنجایی که پایداری الکتروشیمیایی الکترولیت مبتنی‌­بر IL با کاتیون‌­ها/ آنیون‌­ها و ترکیب آنها مرتبط است، بررسی بیشتر در مورد ساختار و ترکیب کاتیون­‌ها/ آنیون‌­ها برای ایجاد الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL با مقاومت کاهنده افزایش یافته و تحرک یونی بهبودیافته، ضروری می­باشد. بویژه اصلاح کاتیون‌­ها/آنیون‌­ها می­تواند به‌­طور موثری پایداری الکتروشیمیایی را نسبت به تجزیه مایع یونی بهبود بخشد. به­‌طور قابل توجهی محلول هیبریدی IL–آب ممکن است دارای دامنه­‌های پایداری الکتروشیمیایی کوچک‌تری در مقایسه با الکترولیت خالص مبتنی‌­بر IL باشد که دلیل این امر ترمودینامیک پایین کمک حلال آب است. با این وجود، الکترولیت هیبریدی IL–آب با کاهش هزینه ممکن است سازگاری خوبی با مواد آند Li₄Ti₅O₁₂ داشته باشد. جفت شدن آند Li₄Ti₅O₁₂ و الکترولیت هیبریدی IL-آب با مواد کاتدی با پتانسیل بالا در باتری­‌های لیتیوم–یون، ممکن است چگالی انرژی و قابلیت سرعت بالا به­‌دست آِید. این مفهوم و موقعیت باید با آزمایش­‌های بیشتر تایید گردد.

ثانیاً به دلیل ویسکوزیته نسبتاً بالا، رسانایی Li⁺ الکترولیت‌­های مبتنی بر IL برای کاربردهای عملی باتری‌­های لیتیوم–یون کافی نیست. یکی از رویکردها، توسعه الکترولیت‌­های تمرکز بالا مبتنی‌­بر IL است که در آن تعداد انتقال Li⁺  به‌طور موثری افزایش یافته است. با استفاده کردن از حلال­‌های آلی، ویسکوزیته الکترولیت‌­های مبتنی بر IL را می‌­توان کاهش داد که این امر منجر به هدایت یونی بالاتر می‌­شود. علاوه بر این لازم به ذکر است که لایه SEI عامل مهمی است که بر عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌­ها تاثیر می­‌گذارد. اگرچه برخی از الکترولیت‌­های مبتنی­‌بر IL می­‌تواند تشکیل SEI را در سطح الکترود به دلیل تجزیه کاتیون‌­ها و آنیون‌­ها تسهیل نماید. با این حال توانایی و مکانیسم تشکیل SEI در الکترولیت‌­های مختلف مبتنی‌­بر IL باید بیشتر مورد ارزیابی قرار گیرد.

ثالثاً با توجه به سنتز ILهای مختلف، محققان باید به‌صورت تئوری و تجربی ILهای سنتز شده را به­‌عنوان اجزاء الکترولیت باتری­‌های لیتیوم–یون، از نظر پایداری اکسیداسیون/ کاهش، مسیر کاهش در طی فرآیند تشکیل SEI، مکانیسم شارژ و تخلیه و … بررسی نمایند. به‌عنوان مثال حالت­‌های کاتیون­‌های آلی روی سطح الکترود (مثل حالت ایستاده یا خوابیده حلقه کاتیون) می‌­تواند به شدت بر الکتروشیمی باتری‌­های مبتنی‌­بر IL تاثیر گذار باشد. بنابراین شبیه‌­سازی‌­های دینامیک مولکولی و محاسبات تئوری کاربردی باید برای درک بهتر مکانیسم انجام گردد. چراکه این مسئله منجر به فرآهم آوردن بینشی وسیع برای تسریع توسعه الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL خواهد شد. علاوه­‌بر این مطالعات الکترولیت‌­های حالت جامد (شبه جامد) مبتنی‌­بر IL هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند و تعداد کمی از این الکترولیت‌­ها گزارش شده­‌اند؛ بنابراین بررسی الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL حالت جامد (شبه جامد) بیشتر برای باتری‌­های لیتیوم–یون و فراتر از باتری‌­های لیتیوم–یون امیدوارکننده می‌­باشد. دینامیک مولکولی مربوطه و محاسبات تئوری برای درک مکانیسم انتقال گونه­‌های یونی و تشکیل لایه‌­های سطحی و … مورد نیاز است.

در نهایت هزینه بالای سنتز IL ظرفیت کم آنها برای کاربرد عملی به­‌عنوان اجزای الکترولیت در ذخیره‌­سازی انرژی، بازدارنده است. با این وجود ذکر شده است که الکترولیت سهم زیادی در هزینه‌­های کل تولید باتری ندارد. بنابراین اگر باتری مبتنی‌­بر IL بتواند مزایای کافی را از نظر عملکرد الکتروشیمیایی ارائه دهد، از نظر هزینه با باتری‌­های معمولی در رقابت خواهد بود. علاوه­‌بر این انتظار می­‌رود با تولید انبوه، هزینه تولید IL به طور قابل توجهی کاهش یابد که همین امر می‌­تواند منجر به تسریع توسعه باتری­‌های مبتنی‌­بر IL شود. تا به امروز از طرف ILها و مخلوط­‌های آنها بدون شک مزایای بسیاری را به عنوان اجزاء الکترولیت در باتری‌­های لیتیوم–یون و فراتر از آن ارائه گردیده است. پایداری حرارتی عالی، غیر سمی بودن، اشتعال ناپذیری و همچنین اثرات بهینه‌­سازی هم‌­افزایی در ترکیبات IL، به طور جامع بر عملکرد عالی الکتروشیمیایی باتری­‌های لیتیوم–یون کمک می­‌نماید. در آینده هم تحقیقات تجربی و هم تحقیقات تئوری، باید برای مطالعه خواص فیزیکوشیمیایی منحصر به فرد و عملکرد الکتروشیمیایی الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL انجام شود.

Ion – liquid based electrolyte (IL)

[2] Solid electrolyte interphase (SEI)

[3] Imidazolium

Reference : Tang X, Lv S, Jiang K, Zhou G, Liu X. Recent development of ionic liquid-based electrolytes in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 2022 Sep 15;542:231792.

ترجمه و ویرایش : شیرین میران موسوی، هانیه میران موسوی