Elektrolit, komponen yang sangat diperlukanbaterai litium-ion, berperan penting dalam siklus-pengosongan daya baterai.
Ia tidak hanya bertanggung jawab atas pengangkutan ion litium dan konduksi arus secara efisien, tetapi juga memiliki sifat isolasi elektronik untuk secara efektif mencegah aliran elektron langsung antara elektroda positif dan negatif. Secara kiasan, elektrolit seperti "darah" di dalam baterai-ion litium, yang memastikan konektivitas antara bahan elektroda positif dan negatif, sehingga menjamin kelancaran seluruh proses pengosongan-pengisian.
Elektrolit yang ideal untuk baterai litium-ion harus memenuhi lima persyaratan berikut:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3ukuran/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V vs Li+/Li).
(3) Kompatibilitas yang baik dengan elektroda, menjaga resistansi antarmuka serendah mungkin.
(4) Stabilitas termal dan kimia yang sangat baik, memungkinkan baterai beroperasi dengan aman pada rentang suhu yang luas.
(5) Biaya rendah, toksisitas rendah, dan ramah lingkungan.
Dengan-permintaan kepadatan energi dan kepadatan daya baterai yang terus meningkat, teknologi baterai berkembang pesat, dan material elektroda telah mengalami kemajuan yang luar biasa. Sebaliknya, perkembangan sistem elektrolit masih tertinggal. Saat ini, pengembangan elektrolit baterai litium-ion dapat diklasifikasikan secara luas menjadi tiga jenis: elektrolit pelarut non-berair, elektrolit berair, dan elektrolit-bentuk padat.
Elektrolit pelarut bukan-berair
Elektrolit pelarut non-berair dalam baterai litium-ion mengacu pada sistem elektrolit yang tidak mengandung air, terutama terdiri dari pelarut, zat terlarut (biasanya garam litium), dan zat aditif. Pelarut non-berair ini biasanya merupakan pelarut organik, bukan pelarut berair, untuk menghindari elektrolisis air atau reaksi merugikan dengan bahan elektroda. Garam litium adalah pembawa utama untuk pengangkutan ion litium-, pelarut berfungsi sebagai pelarut, dispersi, dan pendukung garam litium, dan zat aditif terutama berfungsi untuk meningkatkan kinerja elektrokimia atau keamanan baterai litium-ion.
Elektrolit yang tersedia secara komersial (yaitu elektrolit cair) yang digunakan dalam baterai litium-ion terutama terdiri dari satu atau lebih garam litium yang dilarutkan dalam dua atau lebih pelarut organik; elektrolit yang terdiri dari pelarut tunggal sangat jarang. Alasan penggunaan beberapa pelarut adalah-baterai di dunia nyata memiliki persyaratan yang berbeda, bahkan bertentangan, yang sulit dipenuhi dengan menggunakan satu pelarut. Misalnya, elektrolit mungkin memerlukan fluiditas tinggi namun juga memiliki konstanta dielektrik yang tinggi; oleh karena itu, pelarut dengan sifat fisikokimia yang berbeda sering kali digunakan dalam kombinasi, menunjukkan karakteristik yang berbeda secara bersamaan. Selain itu, garam litium umumnya tidak digunakan secara bersamaan karena pemilihan garam litium terbatas, dan kelebihannya tidak mudah terlihat.
Pelarut organik yang ideal harus memiliki sifat-sifat utama berikut: Pertama, pelarut tersebut memerlukan konstanta dielektrik yang tinggi untuk memastikan pelarutan garam litium yang baik; kedua, mereka harus memiliki titik leleh rendah dan titik didih tinggi untuk memperluas kisaran suhu pengoperasian elektrolit; ketiga, viskositas rendah membantu mendorong migrasi ion litium secara efisien dalam medium; dan yang terakhir, pelarut ini harus murah dan memiliki toksisitas rendah (idealnya tidak-beracun). Senyawa karbonat, sebagai salah satu pelarut organik paling awal dan paling banyak digunakan dalam industri baterai litium-ion, menempati posisi penting dalam bidang elektrolit baterai.
Saat ini, jenis pelarut ini terutama mencakup dua bentuk struktural: siklik dan rantai. Tabel di bawah merangkum parameter fisik yang relevan dari beberapa pelarut non--berair, elektrolit, dan pelarut organik yang umum digunakan.
| Kategori | Jenis | Struktur | Titik Leleh (derajat) | Titik Didih (derajat) | Tekanan Uap Individu (25 derajat ) | Kepadatan Relatif (25 derajat )/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Etilen Karbonat (EC) | Berhubung dgn putaran | 36.4 | 248 | 89,780 | 1,904 (40 derajat) | |
| Propilena Karbonat (PC) | Berhubung dgn putaran | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Karbonat | Butilena Karbonat (BC) | Berhubung dgn putaran | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Dimetil Karbonat (DMC) | Linier | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Dietil Karbonat (DEC) | Linier | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Etil Metil Karbonat (EMC) | Linier | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Saat ini, pelarut alkil karbonat banyak digunakan dalam elektrolit. Pelarut ini memiliki ketahanan oksidasi yang baik dan menunjukkan stabilitas yang sangat baik pada kondisi tegangan tinggi. Karbonat siklik, seperti etilen karbonat dan propilena karbonat, dikenal memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, yang berarti dapat melarutkan garam litium dengan lebih efektif; namun, karena gaya antarmolekul yang kuat, pelarut ini memiliki viskositas tinggi, sehingga memperlambat pergerakan ion litium di dalamnya. Sebaliknya, karbonat rantai, seperti dimetil karbonat dan dietil karbonat, meskipun memiliki viskositas lebih rendah, juga memiliki konstanta dielektrik yang relatif rendah, sehingga efisiensi pelarutan garam litium relatif buruk. Oleh karena itu, untuk menyiapkan sistem larutan dengan konduktivitas ionik yang unggul, berbagai jenis pelarut sering kali dicampur, seperti kombinasi PC+DEC atau EC+DMC. Garam litium, sebagai sumber ion litium dalam elektrolit, berperan besar dalam pengangkutan ion litium-ion selama proses pengisian dan pengosongan baterai litium-ion. Performanya secara langsung memengaruhi banyak aspek baterai{10}ion litium, termasuk kepadatan energi, kepadatan daya, rentang voltase pengoperasian, masa pakai, dan keselamatan. Saat ini, dalam penelitian laboratorium dan praktik industri, garam litium dengan jari-jari anionik besar dan stabilitas redoks tinggi biasanya dipilih. Berdasarkan komposisi kimianya, garam litium secara garis besar dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori: garam litium anorganik dan garam litium organik. Beberapa garam litium anorganik telah dikembangkan, termasuk LiPF6, LiClO4, LIBF, dan LIASF. Sebaliknya, garam litium organik yang umum digunakan dalam baterai litium-ion diformulasikan dengan menambahkan gugus penarik elektron-ke anion garam litium anorganik ini, seperti litium dioksalat-borat (LiBOB), litium difluorooxalato-borat ([iODFB]), litium difluorosulfonilimida (LiFSI), dan litium ditrifluorometilsulfonilimida (LTFSI). Tabel di bawah menunjukkan sifat fisikokimia yang relevan dari beberapa garam litium yang umum digunakan dalam baterai litium-ion.
| Kategori | Garam Litium | Berat Molekul (g/mol) | Larut dalam Karbonat? | Larut dalam Air? | Konduktivitas Listrik (1 mol/L, EC/DMC, 20 derajat ) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Garam Litium Anorganik | LiPF₆ | 151.91 | Ya | Ya | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Ya | Ya | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Ya | Ya | 9.00 | |
| Garam Litium Organik | LiTFSI | 287.08 | Ya | Ya | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Ya | Ya | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Ya | Ya | 0.65 |
Aditif adalah zat yang ditambahkan ke elektrolit dalam konsentrasi rendah (biasanya tidak lebih dari 10% massa) yang memiliki fungsi tertentu dan secara signifikan dapat meningkatkan karakteristik elektrokimia baterai. Berdasarkan fungsinya, aditif ini secara garis besar dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori: aditif-pembentuk film, penghambat api, dan aditif untuk mencegah pengisian berlebih. Selain itu, terdapat aditif yang digunakan untuk meningkatkan konduktivitas, mengoptimalkan kinerja pada-kondisi suhu rendah, atau mengontrol jumlah jejak dan konsentrasi HF dalam larutan elektrolit.