هل LiTFSI هو أفضل خيار لتحسين أداء درجات الحرارة المنخفضة في خلايا HEV؟

2021-10-11 | Jerry Huang

بشكل عام ، يُعتقد أنه كلما زادت نسبة الكربون الصلب (أعلى من 15٪) المغلف بأنود بطارية ليثيوم أيون ، كانت موصليةها أفضل. ومع ذلك ، يجب أن نوضح أن ضغط قطع قطب الكربون الصلب النقي يبلغ حوالي 1.15 جم / سم مكعب. إذا تم طلاء المزيد من الكربون الصلب بمادة الجرافيت ، فسيتم تقليل كثافة الضغط لقطعة القطب بأكملها (دون زيادة المساحة بين طبقات المواد الأساسية). يمكنها فقط تحقيق 1.2 جم / سم مكعب على الأكثر. في الوقت نفسه ، قد يتم ضغط الكربون الصلب وقد لا يتم استخدام الأداء بالكامل. لذلك ، من الضروري اختيار نسبة مختلفة من طلاء الكربون الصلب وفقًا لسيناريوهات التطبيق.

من المنطقي أن مادة الأنود عادة ما تكون مضغوطة بشكل غير متساو وغير منتظمة. كلما زاد حجم الجسيمات للمادة ، زادت المقاومة الداخلية. لذلك ، إذا تم استخدام طلاء الكربون الصلب ، على الرغم من أنه يمكن إطالة عمر دورة البطارية بشكل كبير ، فإن تقويمها يكون ضعيفًا نسبيًا (تقل سعة خلية البطارية بشكل كبير خلال التخزين لمدة 6 أشهر).

هل LiTFSI هو أفضل خيار لتحسين أداء درجات الحرارة المنخفضة في خلايا HEV؟

من الواضح أن مادة الأنود الصلبة المطلية بالكربون ليست كافية لحل نقاط الألم للأداء الضعيف عند درجات الحرارة المنخفضة ؛ يجب تحسين بعض المواد الأخرى ، مثل الشوارد. تعد الإلكتروليتات جزءًا مهمًا من بطاريات الليثيوم أيون ، وهي لا تحدد معدل هجرة أيونات الليثيوم + ليثيوم في المرحلة السائلة فحسب ، بل تلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في تكوين فيلم SEI. في الوقت نفسه ، تحتوي الإلكتروليتات الحالية على ثابت عازل أقل ، بحيث يمكن لأيونات الليثيوم جذب المزيد من جزيئات المذيبات وإطلاقها أثناء الإذابة ، مما يتسبب في تغييرات أكبر في الانتروبيا في النظام ومعاملات درجة حرارة أعلى (TCs). لذلك ، من المهم العثور على طريقة تعديل بها تغير أصغر في الانتروبيا أثناء الذوبان ، ومعامل درجة حرارة أقل ، وأقل تأثرًا بتركيز الإلكتروليت. حاليًا ، هناك طريقتان لتحسين أداء درجات الحرارة المنخفضة من خلال الإلكتروليتات:

1. تحسين التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة للكهارل عن طريق تحسين تكوين المذيب. يتم تحديد أداء درجة الحرارة المنخفضة للكهارل من خلال نقطة الانصهار منخفضة درجة الحرارة. إذا كانت نقطة الانصهار عالية جدًا ، فمن المحتمل أن يتبلور المنحل بالكهرباء في درجات حرارة منخفضة ، مما سيؤثر بشكل خطير على موصلية الإلكتروليت ويؤدي في النهاية إلى فشل بطارية الليثيوم. تعتبر كربونات الإيثيلين EC مكونًا مهمًا من مكونات المذيبات في المنحل بالكهرباء. نقطة انصهارها هي 36 درجة مئوية. في درجات الحرارة المنخفضة ، من المرجح أن تنخفض قابليته للذوبان وحتى تترسب البلورات في الإلكتروليتات. من خلال إضافة مكونات منخفضة الذوبان ومنخفضة اللزوجة لتخفيف وتقليل محتوى EC للمذيب ، يمكن تقليل اللزوجة ونقطة الانصهار للكهارل بشكل فعال في درجات حرارة منخفضة ، ويمكن تحسين موصلية الإلكتروليت. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الدراسات المحلية والخارجية أيضًا أن استخدام حمض الكربوكسيل المتسلسل ، وخلات الإيثيل ، وبروبيونات الإيثيل ، وخلات الميثيل ، وميثيل الزبدات كمذيب مشترك بالكهرباء مفيد لتحسين الموصلية في درجات الحرارة المنخفضة للإلكتروليتات و يحسن بشكل كبير أداء درجات الحرارة المنخفضة للبطارية. تم إحراز تقدم كبير في هذا المجال.
2. إن استخدام المضافات الجديدة لتحسين خصائص فيلم SEI يجعله يساعد على توصيل أيونات الليثيوم في درجات حرارة منخفضة. يعد ملح الإلكتروليت أحد المكونات المهمة للإلكتروليتات ، وهو أيضًا عامل رئيسي للحصول على أداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة. منذ عام 2021 ، أصبح ملح الإلكتروليت المستخدم على نطاق واسع هو سداسي فلورو فوسفات الليثيوم. يتميز فيلم SEI الذي يتم تشكيله بسهولة بعد التقادم بمقاومة كبيرة ، مما يؤدي إلى ضعف الأداء في درجات الحرارة المنخفضة. لذلك ، أصبح تطوير نوع جديد من ملح الليثيوم أمرًا ملحًا. الليثيوم رباعي فلورو بورات الليثيوم وبورات ديفلورووكسالات الليثيوم (LiODFB) ، كأملاح الليثيوم للكهارل ، جلبت أيضًا موصلية عالية تحت درجات حرارة عالية ومنخفضة ، بحيث تعرض بطارية أيون الليثيوم أداء كهروكيميائي ممتاز في نطاق درجات حرارة واسعة.

كنوع جديد من ملح الليثيوم غير المائي ، يتمتع LiTFSI باستقرار حراري عالي ، ودرجة صغيرة من الارتباط بين الأنيون والكاتيون ، وقابلية عالية للذوبان والتفكك في أنظمة الكربونات. في درجات الحرارة المنخفضة ، تضمن الموصلية العالية ومقاومة نقل الشحن المنخفضة للكهارل لنظام LiFSI أداء درجات الحرارة المنخفضة. ماندال وآخرون. استخدم LiTFSI كملح ليثيوم و EC / DMC / EMC / pC (نسبة الكتلة 15: 37: 38: 10) كمذيب أساسي للإلكتروليت ؛ وأظهرت النتيجة أن المنحل بالكهرباء لا يزال يتمتع بموصلية عالية تبلغ 2 ملي سمسمتر -1 عند -40 درجة مئوية. لذلك ، يعتبر LiTFSI أكثر الإلكتروليتات الواعدة التي يمكن أن تحل محل سداسي فلورو فوسفات الليثيوم ، ويعتبر أيضًا بديلاً للانتقال إلى عصر الإلكتروليتات الصلبة.

وفقًا لـ Wikipedia ، فإن إيميد الليثيوم ثنائي (ثلاثي فلورو الميثان سلفونيل) ، غالبًا ما يشار إليه ببساطة باسم LiTFSI ، هو ملح ماء مع الصيغة الكيميائية LiC2F6NO4S2. LiTFSI عبارة عن بلورة أو مسحوق أبيض يمكن استخدامه كملح ليثيوم إلكتروليت عضوي لبطاريات الليثيوم أيون ، مما يجعل الإلكتروليت يُظهر ثباتًا وموصلية كهروكيميائية عالية. يستخدم بشكل شائع كمصدر Li-ion في الإلكتروليتات لبطاريات Li-ion كبديل أكثر أمانًا لسداسي فلورو فوسفات الليثيوم الشائع الاستخدام. وهي مكونة من كاتيون Li واحد وأنيون ثنائي البستريفليميد. نظرًا لقابلية ذوبانه العالية جدًا في الماء (> 21 مترًا) ، فقد تم استخدام LiTFSI كملح ليثيوم في إلكتروليتات الماء بالملح لبطاريات الليثيوم أيون المائية.

يمكن الحصول على LiTFSI عن طريق تفاعل ثنائي (ثلاثي فلورو ميثيل سلفونيل) إيميد وهيدروكسيد الليثيوم أو كربونات الليثيوم في محلول مائي ، ويمكن الحصول على اللامائى عن طريق التجفيف بالفراغ عند 110 درجة مئوية: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

يمكن استخدام إيميد الليثيوم ثنائي (ثلاثي فلورو ميثيل سلفونيل) في تحضير الإلكتروليتات لبطاريات الليثيوم وكمحفز جديد لحمض لويس في التربة النادرة ؛ يتم استخدامه لتحضير أملاح إيميدازوليوم مراوان بواسطة تفاعل استبدال الأنيون من ثلاثي فلورو ميثان سلفونات المقابل. هذا المنتج عبارة عن مركب أيون عضوي مهم يحتوي على الفلور ، ويستخدم في بطاريات الليثيوم الثانوية ، والمكثف الكيميائي الفائق ، والمكثفات الالكتروليتية المصنوعة من الألومنيوم ، والمواد المنحل بالكهرباء غير المائية عالية الأداء وكمحفز جديد عالي الكفاءة. استخداماته الأساسية هي كما يلي:

1. بطاريات الليثيوم
2. السوائل الأيونية
3. الاستاتيكيه
4. الطب (أقل شيوعًا)

ومع ذلك ، قال مهندس بحث وتطوير من الصين ذات مرة: "يستخدم LiTFSI بشكل أساسي كمادة مضافة في الإلكتروليتات الحالية ولن يتم استخدامه كملح رئيسي وحده. بالإضافة إلى ذلك ، حتى لو تم استخدامه كمادة مضافة ، فإن الإلكتروليت المُركب له أداء أفضل من الإلكتروليتات الأخرى. يعتبر LiTFSI Electrolyte أغلى بكثير من الأنواع المعتادة من الإلكتروليت ، لذلك لا تتم إضافة LiTFSI ، إذا لم تكن هناك متطلبات خاصة لأداء المنحل بالكهرباء ".

يُعتقد أنه في بعض سيناريوهات التطبيق ، هناك متطلبات أساسية للبطاريات عالية الطاقة ، وسيناريوهات مثل الرافعات الشوكية الكهربائية و AGVs. فيما يتعلق بالمتانة وسمات أدوات الإنتاج ، من الضروري أيضًا حل مشاكل دورة الحياة وأداء درجات الحرارة المنخفضة في وقت واحد. لذلك ، سيستمر البحث والتطوير بشأن الجيل التالي من الإلكتروليتات. لكنه لا يزال مصدر قلق متعدد الأبعاد ومنافسة الأداء والتكلفة والسلامة ؛ وستتخذ الأسواق في النهاية خياراتها الخاصة.

مراجع:

1. تشنغ ، هونغخه ؛ تشو ، كونتينج تشانغ ، لي ؛ ليو ، جاو ؛ باتاغليا ، فينسنت (2012). "الكربون الصلب: أنود واعد لبطارية ليثيوم أيون لتطبيقات درجات الحرارة العالية مع إلكتروليت أيوني". تقدم RSC. الجمعية الملكية للكيمياء. (11): 4904-4912. دوى: 10.1039 / C2RA20536J. تم الاسترجاع 2020/08/15.
2. كامياما ، أزوسا ؛ كوبوتا ، كي ؛ ناكانو ، تاكيشي ؛ فوجيمورا ، شون ؛ شيراشي ، سوشي ؛ تسوكادا ، هيديهيكو ؛ كومابا ، شينيتشي (27 يناير 2020). "الكربون الصلب عالي السعة المركب من راتينج الفينول الكبير المسام لبطارية أيون الصوديوم وبوتاسيوم أيون". مواد الطاقة التطبيقية ACS. الجمعية الكيميائية الأمريكية. 3: 135-140. دوى: 10.1021 / acsaem.9b01972.
3. محسن خسروي. بشيربور ، ندى ؛ نعمتبور ، فاطمة (1 نوفمبر 2013). "تركيب الكربون الصلب كمواد أنود لبطارية ليثيوم أيون". بحوث المواد المتقدمة. 829: 922-926. دوى: 10.4028 / www.scientific.net / AMR.829.922. تم الاسترجاع 2020/08/15.
4. Goriparti ، Subrahmanyam ؛ ميلي ، إرمانو ؛ دي أنجيليس ، فرانشيسكو ؛ دي فابريزيو ، إنزو ؛ Proietti Zaccaria، Remo؛ كابيجليا ، كلوديو (2014). "مراجعة التقدم الأخير في مواد الأنود ذات البنية النانوية لبطاريات Li-ion". مجلة مصادر الطاقة. 257: 421–443. بيب كود: 2014 JPS ... 257..421G. دوى: 10.1016 / j.jpowsour.2013.11.103.
5. إيريساري ، إي ؛ بونروش ، أ. Palacín ، MR (2015). "مراجعة مواد القطب السالب للكربون الصلب لبطاريات أيونات الصوديوم". مجلة الجمعية الكهروكيميائية. 162: A2476. دوى: 10.1149 / 2.0091514jes.
6. دو ، شينوي ؛ الحسا ، إيفانا ؛ سوريل ، داميان ؛ فالما ، كريستوف ؛ وو ، ليمينغ بوخولز ، دانيال ؛ بريسر ، دومينيك ؛ كومابا ، شينيتشي ؛ باسريني ، ستيفانو (2019). "الكربون الصلب لبطاريات أيون الصوديوم: الهيكل والتحليل والاستدامة والكيمياء الكهربية". المواد اليوم. 23: 87-104. دوى: 10.1016 / j.mattod.2018.12.040