Die Forschung zu Lithium-Schwefel- (Li/S 8 ) und Lithium-Sauerstoff- (Li/O 2 )-Batterien bei Raumtemperatur hat in den letzten zehn Jahren deutlich zugenommen. Der Wettlauf um die Entwicklung solcher Zellsysteme wird vor allem durch die sehr hohe theoretische Energiedichte und den Überfluss an Schwefel und Sauerstoff motiviert. Die Zellchemie ist jedoch komplex, und Fortschritte in Richtung praktischer Geräteentwicklung bleiben durch einige grundlegende Schlüsselfragen behindert, die derzeit mit zahlreichen Ansätzen angegangen werden.
Über die analogen natriumbasierten Batteriesysteme ist überraschenderweise nicht viel bekannt, obwohl die bereits kommerzialisierten Hochtemperatur-Na/S 8 - und Na/NiCl 2 -Batterien nahelegen, dass ein Akku auf Natriumbasis großtechnisch machbar ist. Darüber hinaus ist die natürliche Fülle von Natrium ein attraktiver Vorteil für die Entwicklung von Batterien auf Basis kostengünstiger Komponenten.
Diese Übersicht bietet eine Zusammenfassung des aktuellen Wissensstandes zu Lithium-Schwefel- und Lithium-Sauerstoff-Batterien und einen direkten Vergleich mit den analogen Natriumsystemen. Die allgemeinen Eigenschaften, Hauptvorteile und Herausforderungen, aktuelle Strategien zur Leistungsverbesserung und allgemeine Richtlinien für die Weiterentwicklung werden zusammengefasst und kritisch diskutiert. Im Allgemeinen hat die Substitution von Lithium durch Natrium einen starken Einfluss auf die Gesamteigenschaften der Zellreaktion und es sind daher Unterschiede in Ionentransport, Phasenstabilität, Elektrodenpotential, Energiedichte usw. zu erwarten.
Ob diese Unterschiede einer reversibleren Zellchemie zugute kommen, ist noch offen, aber einige der ersten Berichte über Na/S 8 - und Na/O 2 -Zellen bei Raumtemperatur zeigen bereits einige aufregende Unterschiede im Vergleich zu den etablierten Li/S 8 und Li/O 2 -Systeme.
Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) haben sich seit ihrer Kommerzialisierung Anfang der 1990er Jahre schnell zur wichtigsten Form der Energiespeicherung für alle mobilen Anwendungen entwickelt. Dies liegt vor allem an ihrer konkurrenzlosen Energiedichte, die andere wiederaufladbare Batteriesysteme wie Metall-Hydrid oder Blei-Säure bei weitem übertrifft. Das anhaltende Bedürfnis, Strom noch sicherer, kompakter und kostengünstiger zu speichern, erfordert jedoch kontinuierliche Forschung und Entwicklung.
Der Bedarf an kostengünstigen stationären Energiespeichern ist zu einer zusätzlichen Herausforderung geworden, die auch die Forschung nach alternativen Batterien anstößt. Große Anstrengungen werden auf die kontinuierliche Verbesserung der verschiedenen Li-Ionen-Technologien gerichtet, beispielsweise durch effizientere Verpackung, Verarbeitung, bessere Elektrolyte und optimierte Elektrodenmaterialien. Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte hinsichtlich der Leistungsdichte erzielt wurden, war der Anstieg der Energiedichte (volumetrisch und gravimetrisch) relativ gering. Ein Vergleich verschiedener Batterietechnologien hinsichtlich ihrer Energiedichten ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1:Theoretische und (geschätzte) praktische Energiedichten verschiedener Akkus: Pb – Säure – Bleisäure, NiMH – Nickel-Metallhydrid, Na-Ion – Schätzung abgeleitet aus Daten für Li-Ionen unter Annahme einer etwas niedrigeren Zellspannung, Li- Ionen – Mittelwert über verschiedene Typen, HT-Na/S 8 – Hochtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterie, Li/S 8 und Na/S 8 – Lithium-Schwefel- und Natrium-Schwefel-Batterie unter Annahme von Li 2 S und Na2S als Entladungsprodukte, Li /O 2 und Na/O 2 – Lithium-Sauerstoff-Batterie (theoretische Werte beinhalten das Gewicht des Sauerstoffs und hängen von der Stöchiometrie des angenommenen Entladungsprodukts, dh Oxid, Peroxid oder Superoxid ab). Beachten Sie, dass die Werte für praktische Energiedichten je nach Batteriedesign (Größe, hohe Leistung, hohe Energie, Einzelzelle oder Batterie) und dem Entwicklungsstand stark variieren können. Alle Werte für praktische Energiedichten beziehen sich auf Zellniveau (außer Pb-Säure, 12 V). Die Werte für die Li/S 8 und Li/O 2 Batterien wurden der Literatur entnommen (im Haupttext zitiert) und dienen zur Abschätzung der Energiedichten für die Na/S 8 und Na/O 2 Zellen. Von den oben genannten Technologien wurden bisher nur Bleisäure-, NiMH-, Li-Ionen- und Hochtemperatur-Na/S 8 -Technologien kommerzialisiert.
Lithiumtetrafluoroborat (LiBF 4 ), das als Elektrolytadditiv verwendet wird, um die Zyklenleistung von LiNi 0,5 Co 0,2 Mn 0,3 O 2 /Graphitzelle (NMC532) bei höherer Betriebsspannung zu verbessern, wird untersucht.
Durch Zugabe von 1,0 Gew.-% LiBF4 zum Elektrolyten wurde die Kapazitätserhaltung der Lithium-Ionen-Batterie nach 100 Zyklen von 29,2 % auf 90,1 % bei einer Spannung von 3,0 V–4,5 V stark verbessert Spannungsbetrieb werden die Eigenschaften einschließlich der Zellleistung, das Impedanzverhalten sowie die Eigenschaften der Elektrodengrenzflächeneigenschaften untersucht.
Es wurde festgestellt, dass LiBF4 wahrscheinlich an der Bildung von Grenzflächenfilmen auf beiden Elektroden beteiligt war. Die verbesserten Leistungen der Zelle werden der Modifikation der Grenzflächenkomponenten auf der Graphitanode und der LiNi 0,5 Co 0,2 Mn 0,3 O 2 -Kathode zugeschrieben, was zu einer Verringerung der Grenzflächenimpedanz führt.
Quelle: Zuo, Xiaoxi & Fan, Chengjie & Liu, Jiansheng & Xiao, Xin & Wu, Junhua & Nan, Junmin. (2013). Lithiumtetrafluoroborat als Elektrolytzusatz zur Verbesserung der Hochspannungsleistung von Lithium-Ionen-Batterien. Zeitschrift der Elektrochemischen Gesellschaft. 160. A1199-A1204. 10.1149/2.066308jes. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.066308jes
Lithiumdifluorphosphat (LiDFP, LFO) ist als Elektrolytzusatz sehr hilfreich, um die Zyklenlebensdauer von Li-Ionen-Batterien und die Erhaltung der Entladekapazität bei hohen Temperaturen zu verbessern sowie die Selbstentladung zu reduzieren. Während Natriumdifluorphosphat eine ähnliche Leistung in der NMC532-Batteriezelle aufweist? Werfen wir einen Blick auf ein Papier, das 2020 im Journal of The Electrochemical Society veröffentlicht wurde.
Schlussfolgerung:Drei neue Difluorphosphatsalz-Elektrolytadditive wurden synthetisiert und in NMC532/Graphit-Pouch-Zellen evaluiert. Ammoniumdifluorphosphat (AFO) wird leicht über eine Festkörper-Benchtop-Reaktion von Ammoniumfluorid und Phosphorpentoxid hergestellt, die nur durch leichtes Erhitzen initiiert werden kann. Die beste Ausbeute an Natriumdifluorphosphat (NaFO) in der vorliegenden Studie wurde durch die Reaktion von Difluorphosphorsäure und Natriumcarbonat in 1,2-Diemethoxyethan über 3 -Molekularsieben, einem sehr starken Trocknungsmittel, erhalten. Tetramethylammoniumdifluorphosphat (MAFO) wurde aus NaFO durch Kationenaustausch mit Tetramethylammoniumchlorid hergestellt.
NaFO soll ein sehr gutes Elektrolytadditiv sein, mit ähnlicher Leistung in NMC532/gr-Zellen wie das besser bekannte Lithiumdifluorphosphat (LFO)-Additiv, das jeweils nach mehr als 1.500 Zyklen bei 40 °C eine Beibehaltung der Entladekapazität von ~90% aufweist. Die Langzeitstabilität während der Zyklen zwischen 3,0–4,3 V ist im Vergleich zu den von Harlow et al. berichteten 2%VC 1%DTD Benchmark-Zellen, die nach 1.500 Zyklen eine Kapazitätserhaltung von ∼94% aufweisen, günstig, liegt aber dennoch unter dieser. Die vorteilhafte Natur beider Additive ist dem Difluorphosphat-Anion zuzuschreiben. Im Gegensatz dazu haben sich AFO und MAFO als schlechte Elektrolytadditive erwiesen. Es wird vermutet, dass dies auf die Bildung von Lithiumnitrid für ersteres zurückzuführen ist. Es ist nicht bekannt, warum Tetramethylammonium-Kationen einen negativen Einfluss auf die Zellstabilität haben.
Verweise:
Synthesis and Evaluation of Difluorophosphate Salt Electrolyte Additives for Lithium-Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society, 2020 167 100538, David S. Hall, Toren Hynes, Connor P. Aiken und JR Dahn
Wird LiFSI LiPF6 in Lithium-Ionen-Batterieelektrolyten ersetzen? Die Verwendung des neuen Salzes Lithium-bis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI) anstelle von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) als Elektrolyt verbessert die Leistung von Li-Ionen-Batterien mit Siliziumanoden, so ein von Forschern im Journal of the American Chemical Society veröffentlichter Artikel in Europa.
Lithium-bis(fluorsulfonyl)imid, allgemein als LiFSI bezeichnet, hat die Summenformel F2LiNO4S2 und die CAS-Nummer 171611-11-3. LiFSI scheint ein weißes Pulver mit einem Molekulargewicht von 187,07 und einem Schmelzpunkt zwischen 124-128°C (255-262,4°F) zu sein.
Im Vergleich zu LiPF6 verbessert LiFSI nicht nur die thermische Stabilität der Li-Ionen-Batterietechnologie, sondern bietet auch eine bessere Leistung in Bezug auf elektrische Leitfähigkeit, Zyklenlebensdauer und niedrige Temperaturen. LiFSI kann jedoch bestimmte korrosive Wirkungen auf Aluminiumfolie haben. Einige wissenschaftliche Arbeiten zeigen, dass die Korrosion von Aluminiumfolie hauptsächlich von FSI-Ionen in LiFSI stammt, dieses Problem kann jedoch durch Additive wie fluorhaltige Passivierungs-Aluminiumfolienadditive gelöst werden.
Der Trend ist ziemlich sicher, dass LiFSI zu einem der Mainstream-Lithiumsalze für Elektrolyte der nächsten Generation wird. Derzeit werden ternäre Lithiumbatterien und LFP-Batterien ständig verbessert und von Generation zu Generation iteriert, die höhere Anforderungen an Energiedichte, Hoch- und Niedertemperaturleistung, Zyklenlebensdauer sowie Lade- und Entladeratenleistung stellen.
Aufgrund der hohen technischen Schwierigkeiten bei der Massenproduktion und der hohen Kosten wurde LiFSI nicht direkt als gelöstes Lithiumsalz verwendet, sondern als Additiv gemischt mit Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) für die Verwendung in den Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien. LG Chem verwendet beispielsweise seit geraumer Zeit LiFSI als Additiv in ihren Elektrolyten. Mit der Verbesserung der Technologie wird den Elektrolyten immer mehr LiFSI zugesetzt. Es wird davon ausgegangen, dass die Kosten von LiFSI mit der Ausweitung der Massenproduktion weiter gesenkt werden. Und im Laufe der Zeit hat LiFSI das Potenzial, LiPF6 als das wichtigste Lithiumsalz für Lithium-Ionen-Batterieelektrolyte zu ersetzen.
Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) ist ein wichtiger Rohstoff in der heutigen Technologie für Lithium-Ionen-Batterieelektrolyte von Lithium-Ionen-Power-Batterien, Lithium-Ionen-Energiespeicherbatterien und anderen Li-Ionen-Batterien der Unterhaltungselektronik. Zusammen mit dem Boom der EV-Industrie verbraucht das Segment der Li-Ionen-Akkus den größten Anteil an LiPF6 auf dem Markt.
Seit September 2020 ist der Absatz von New Energy Vehicles deutlich gestiegen, was den Absatz von Lithiumhexafluorophosphat erhöht hat. Es wird geschätzt, dass der Lithium-Hexafluorophosphat-Bedarf im Segment der Strombatterien 2021 etwa 66.000 Tonnen und 2025 etwa 238.000 Tonnen betragen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 40%.
Laut Daten von Januar bis September 2021 beträgt die kumulierte Kapazität von LFP-Batterien in EV-Installationen in China etwa 45,38 GWh und die kumulierte Kapazität von ternären Batterien beträgt etwa 49,70 GWh. Es wird erwartet, dass die jährliche Gesamtkapazität der LFP-Batterie bei der Installation von Elektrofahrzeugen die der ternären im Jahr 2021 übersteigen wird, wobei eine hohe Wachstumsrate gegenüber dem Vorjahr erwartet wird.
Am 18. Oktober lag der Preis für Lithiumhexafluorophosphat bei 520.000 Yuan/Tonne und ist 2021 um fast 500% gestiegen, wobei der Preis erst zu Beginn dieses Jahres bei 107.000 Yuan/Tonne lag und ein neues Rekordhoch seit Juni 2017 erreichte Lithiumhexafluorophosphat und Elektrolytadditive gehören in diesem Jahr eindeutig zu den Materialien mit den höchsten Wachstumsraten. Die starke Nachfrage im Markt wird voraussichtlich anhalten und ist derzeit knapp.
Schauen wir uns die Angebots-Nachfrage-Situation von Lithiumcarbonat an, um seine Preisentwicklung zu bewerten.
Lithiumcarbonat in Batteriequalität (Li2CO3)
Die wichtigsten anspruchsvollen Bereiche von Lithiumcarbonat in Batteriequalität liegen derzeit in der Herstellung von ternären NMC-Kathodenmaterialien, Lithium-Kobalt-Oxid und einem Teil von Lithium-Eisen-Phosphat (LFP).
Im Jahr 2021 war die Gesamtwachstumsrate von NMC532 und NMC622 im Vergleich zu Ni-reichen ternären Materialien und LFP gering. Im zweiten Halbjahr 2021 wird die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Batteriequalität aus der Produktion von ternären NMC-Kathodenmaterialien voraussichtlich etwa 48.470 Tonnen betragen, was einem Anstieg von nur 2,4 % gegenüber dem vorherigen Halbjahr 2020 entspricht.
Aufgrund der negativen Auswirkungen der Pandemie ist das Exportvolumen von Chinas Unterhaltungselektronik deutlich zurückgegangen, während der Inlandsmarkt nur geringfügig zugenommen hat. Die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Batteriequalität von Herstellern von Lithium-Kobalt-Oxid ist zurückgegangen. Im zweiten Halbjahr 2021 wird der Lithiumcarbonat-Bedarf aus diesem Gebiet voraussichtlich etwa 16.737 Tonnen betragen, was einem Rückgang von 9,7 % gegenüber dem zweiten Halbjahr 2020 entspricht.
In Bezug auf die Nachfrage nach LFP-Materialien verwenden viele LFP-Materialfabriken des Mainstream-Stromtyps derzeit Lithiumcarbonat in Batteriequalität als ihre Hauptlithiumquelle (mit einem Anteil von etwa 30%), um die Qualität der LFP-Strombatterie für den EV-Markt sicherzustellen. Angesichts des Ungleichgewichts von Angebot und Nachfrage auf dem Markt für Strom-LFP-Batterien haben Unternehmen damit begonnen, ihre Produktionskapazitäten stark auszuweiten. Im zweiten Halbjahr 2021 wird die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Batteriequalität aus diesem Feld voraussichtlich etwa 14.788 Tonnen betragen, was einem Anstieg von 30 % gegenüber dem zweiten Halbjahr 2020 entspricht.
Lithiumcarbonat in Industriequalität (Li2CO3)
Die wichtigsten anspruchsvollen Bereiche von Lithiumcarbonat in Industriequalität sind die Produktion von LFP-Material mittlerer Qualität, Lithiummanganat, Lithiumhexafluorophosphat und einige traditionelle Industrien.
In Bezug auf die Nachfrage aus der LFP-Materialproduktion ist der Verkauf von EV-Modellen der A00-Klasse seit dem zweiten Halbjahr 2020 auf dem chinesischen Markt schnell gestiegen, was zu einer starken Nachfrage nach LFP-Batterien mit durchschnittlicher Qualität geführt hat. Gleichzeitig haben einige Mid-End- und High-End-Modelle wie Tesla Model Y und Model 3 auch eigene LFP-betriebene Versionen auf den Markt gebracht. Daneben steigt auch die Nachfrage nach LFP-Batterien im Energiespeicher- und Zweiradmarkt. Derzeit beträgt die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Industriequalität (einschließlich Quasi-Batteriequalität) aus der LFP-Materialproduktion etwa 70 %, verglichen mit der Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Batteriequalität. Im H2 2021 wird die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Industriequalität aus diesem Feld voraussichtlich etwa 34.505 Tonnen betragen, was einem Anstieg von 30 % gegenüber dem H2 2020 entspricht.
Was die Nachfrage aus der Lithiummanganat-Produktion betrifft, so ist die Nachfrage nach Lithiummanganat-Kathodenmaterial aufgrund geringerer Bestellungen von Unterhaltungselektronik und Zweirädern in Übersee nicht stark. Gleichzeitig haben die Hersteller bei weiter steigenden Preisen für Lithiumsalze großen Druck auf Kostensteigerungen und einige von ihnen haben ihre Produktion reduziert. Daher schrumpft die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Industriequalität weiter. Beim Frühlingsfest gab es zu Beginn dieses Jahres eine offensichtliche Reduzierung der Produktion von LMO-Materialien. Im H2 2021 wird die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Industriequalität aus diesem Feld jedoch voraussichtlich etwa 11.900 Tonnen betragen, was einem leichten Anstieg von 8% gegenüber dem vorherigen H2 2020 entspricht.
In Bezug auf die Nachfrage aus der Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat ist neben den heißen Verkäufen auf dem EV-Markt die heimische Elektrolytproduktion deutlich gestiegen, und auch die Nachfrage nach Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) hat stark zugenommen. Im H2 2021 wird die Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Industriequalität aus diesem Gebiet auf etwa 11.236 Tonnen geschätzt, was einem Anstieg von 40% gegenüber dem H2 2020 entspricht.
Die verbleibende Nachfrage nach Lithiumcarbonat in Industriequalität stammt aus der Produktion von metallischem Lithium, ätzenden verarbeiteten Lithiumhydroxiden und Pharmazeutika, die mit einem leichten Anstieg etwa 26% der Gesamtnachfrage ausmachten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Gesamtnachfrage nach Lithiumcarbonat weiterhin schnell steigt. Die Gesamtproduktion von Lithiumcarbonat schrumpft jedoch im H2 2021 aufgrund des geringeren Angebots an Spodumen, trotz eines erhöhten Angebots aus Solequellen im In- und Ausland. Die Preise für Lithiumcarbonat werden höchstwahrscheinlich steigen, wenn die obigen Schätzungen richtig sind.
Allgemein wird angenommen, dass die Leitfähigkeit umso besser ist, je höher der Anteil an Hartkohlenstoff (über 15%) auf der Anode einer Lithium-Ionen-Batterie ist. Wir müssen jedoch klarstellen, dass die Verdichtung von reinen Hartkohlenstoffpolschuhen etwa 1,15 g/cm³ beträgt. Wenn das Graphitmaterial mit mehr Hartkohlenstoff beschichtet wird, wird die Verdichtungsdichte des gesamten Polschuhs verringert (ohne den Abstand zwischen den Kernmaterialschichten zu vergrößern). Es kann höchstens 1,2 g/cm³ erreichen. Gleichzeitig kann der Hartkohlenstoff verdichtet und die Leistung nicht voll ausgeschöpft werden. Daher ist es notwendig, je nach Anwendungsszenario unterschiedliche Anteile der Hartkohlenstoffbeschichtung zu wählen.
Es ist allgemein bekannt, dass das Anodenmaterial normalerweise ungleichmäßig belastet und unregelmäßig ist. Je größer die Partikelgröße des Materials ist, desto größer ist der Innenwiderstand. Wenn daher eine Hartkohlenstoffbeschichtung verwendet wird, kann die Batterielebensdauer zwar erheblich verlängert werden, ihre kalendarische Lebensdauer ist jedoch relativ gering (die Batteriezellenkapazität nimmt bei einer Lagerung von 6 Monaten stark ab).
Ist LiTFSI die beste Wahl, um die Leistung von HEV-Zellen bei niedrigen Temperaturen zu verbessern?
Offensichtlich reicht hartes kohlenstoffbeschichtetes Anodenmaterial nicht aus, um die Schwachstellen der schlechten Leistung bei niedrigen Temperaturen zu lösen; einige andere Materialien müssen verbessert werden, wie zum Beispiel Elektrolyte. Elektrolyte sind ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien und bestimmen nicht nur die Migrationsrate von Li+-Lithium-Ionen in der flüssigen Phase, sondern spielen auch eine Schlüsselrolle bei der Bildung von SEI-Filmen. Gleichzeitig haben die vorhandenen Elektrolyte eine niedrigere Dielektrizitätskonstante, sodass Lithium-Ionen mehr Lösungsmittelmoleküle anziehen und bei der Desolvatation freisetzen können, was zu größeren Systementropieänderungen und höheren Temperaturkoeffizienten (TCs) führt. Daher ist es wichtig, ein Modifikationsverfahren zu finden, das eine geringere Entropieänderung während der Desolvatation, einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten und eine geringere Beeinflussung durch die Elektrolytkonzentration aufweist. Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, die Leistung bei niedrigen Temperaturen durch Elektrolyte zu verbessern:
Verbessern Sie die Tieftemperaturleitfähigkeit von Elektrolyten, indem Sie die Zusammensetzung des Lösungsmittels optimieren. Die Tieftemperaturleistung von Elektrolyten wird durch den eutektischen Tieftemperaturpunkt bestimmt. Ist der Schmelzpunkt zu hoch, kristallisiert der Elektrolyt bei niedrigen Temperaturen wahrscheinlich aus, was die Leitfähigkeit des Elektrolyten stark beeinträchtigt und letztendlich zum Ausfall der Lithiumbatterie führt. EC-Ethylencarbonat ist ein wichtiger Lösungsmittelbestandteil des Elektrolyten. Sein Schmelzpunkt liegt bei 36°C. Bei niedrigen Temperaturen nimmt seine Löslichkeit wahrscheinlich ab und sogar Kristalle werden in Elektrolyten ausgefällt. Durch Zugabe von niedrigschmelzenden und niedrigviskosen Komponenten zum Verdünnen und Reduzieren des EC-Gehalts des Lösungsmittels können die Viskosität und der eutektische Punkt des Elektrolyten bei niedrigen Temperaturen effektiv gesenkt und die Leitfähigkeit von Elektrolyten verbessert werden. Darüber hinaus haben Studien im In- und Ausland gezeigt, dass die Verwendung von Kettencarbonsäure, Ethylacetat, Ethylpropionat, Methylacetat und Methylbutyrat als Elektrolyt-Co-Solvent zur Verbesserung der Niedertemperaturleitfähigkeit von Elektrolyten und verbessert die Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen erheblich. In diesem Bereich wurden erhebliche Fortschritte erzielt.
Die Verwendung neuer Additive zur Verbesserung der Eigenschaften des SEI-Films begünstigt die Leitung von Lithiumionen bei niedrigen Temperaturen. Elektrolytsalz ist einer der wichtigen Bestandteile von Elektrolyten und auch ein Schlüsselfaktor, um eine hervorragende Leistung bei niedrigen Temperaturen zu erzielen. Als Leitsalz wird seit 2021 großtechnisch Lithiumhexafluorophosphat eingesetzt. Der nach dem Altern leicht zu bildende SEI-Film hat eine große Impedanz, was zu einer schlechten Leistung bei niedrigen Temperaturen führt. Daher wird die Entwicklung eines neuen Lithiumsalztyps dringend. Lithiumtetrafluoroborat und Lithiumdifluoroxalatborat (LiODFB) haben als Lithiumsalze für Elektrolyte auch eine hohe Leitfähigkeit bei hohen und niedrigen Temperaturen gebracht, so dass die Lithium-Ionen-Batterie eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung in einem weiten Temperaturbereich zeigt.
Als neuer Typ von nichtwässrigen Lithiumsalzen weist LiTFSI eine hohe thermische Stabilität, einen geringen Assoziationsgrad von Anion und Kation sowie eine hohe Löslichkeit und Dissoziation in Carbonatsystemen auf. Bei niedrigen Temperaturen sorgen die hohe Leitfähigkeit und der geringe Ladungsübergangswiderstand des LiFSI-Systemelektrolyten für seine Tieftemperaturleistung. Mandal et al. hat LiTFSI als Lithiumsalz und EC/DMC/EMC/pC (Massenverhältnis 15:37:38:10) als Basislösungsmittel für den Elektrolyten verwendet; und das Ergebnis zeigte, dass der Elektrolyt immer noch eine hohe Leitfähigkeit von 2 mScm –1 bei –40°C aufweist. Daher gilt LiTFSI als der vielversprechendste Elektrolyt, der Lithiumhexafluorophosphat ersetzen kann, und gilt auch als Alternative für den Übergang in ein Zeitalter der Festelektrolyte.
Laut Wikipedia ist Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid, oft einfach als LiTFSI bezeichnet, ein hydrophiles Salz mit der chemischen Formel LiC2F6NO4S2. LiTFSI ist ein weißer Kristall oder ein weißes Pulver, das als organisches Elektrolyt-Lithiumsalz für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann, wodurch der Elektrolyt eine hohe elektrochemische Stabilität und Leitfähigkeit aufweist. Es wird häufig als Li-Ionen-Quelle in Elektrolyten für Li-Ionen-Batterien als sicherere Alternative zu häufig verwendetem Lithium-Hexafluorphosphat verwendet. Es besteht aus einem Li-Kation und einem Bistriflimid-Anion. Aufgrund seiner sehr hohen Löslichkeit in Wasser (> 21 m) wurde LiTFSI als Lithiumsalz in Wasser-in-Salz-Elektrolyten für wässrige Lithium-Ionen-Batterien verwendet.
LiTFSI kann durch Reaktion von Bis(trifluormethylsulfonyl)imid und Lithiumhydroxid oder Lithiumcarbonat in wässriger Lösung erhalten werden, wasserfreies kann durch Vakuumtrocknung bei 110 °C erhalten werden: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O
Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid kann zur Herstellung von Elektrolyten für Lithiumbatterien und als neuer Lewis-Säure-Katalysator in Seltenen Erden verwendet werden; es wird verwendet, um chirale Imidazoliumsalze durch Anionenaustauschreaktion entsprechender Trifluormethansulfonate herzustellen. Dieses Produkt ist eine wichtige fluorhaltige organische Ionenverbindung, die in Lithium-Sekundärbatterien, Superkondensatoren Chemicalbook, Aluminium-Elektrolytkondensatoren, leistungsstarken nichtwässrigen Elektrolytmaterialien und als neuer hocheffizienter Katalysator verwendet wird. Seine grundlegenden Verwendungen sind wie folgt:
Lithiumbatterien
Ionische Flüssigkeiten
Antistatisch
Medizin (viel seltener)
Ein F&E-Ingenieur aus China sagte jedoch einmal: „LiTFSI wird hauptsächlich als Additiv in aktuellen Elektrolyten verwendet und wird nicht allein als Hauptsalz verwendet. Darüber hinaus weist der formulierte Elektrolyt, selbst wenn er als Additiv verwendet wird, eine bessere Leistung als andere Elektrolyte auf. LiTFSI Electrolyte ist viel teurer als herkömmliche Elektrolytarten, daher wird LiTFSI nicht zugesetzt, wenn keine besonderen Anforderungen an die Elektrolytleistung gestellt werden."
Es wird davon ausgegangen, dass in einigen Anwendungsszenarien erhebliche Anforderungen an Hochleistungsbatterien bestehen, beispielsweise bei Elektrostaplern und AGVs. Was die Haltbarkeit und Eigenschaften von Produktionswerkzeugen betrifft, müssen auch die Probleme der Zykluslebensdauer und der Leistung bei niedrigen Temperaturen gleichzeitig gelöst werden. Daher wird die Forschung und Entwicklung an Elektrolyten der nächsten Generation fortgesetzt. Aber es ist immer noch ein mehrdimensionales Anliegen und ein Wettbewerb in Bezug auf Leistung, Kosten und Sicherheit; und die Märkte werden schließlich ihre eigenen Entscheidungen treffen.
Verweise:
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Goriparti, Subrahmanyam; Miele, Ermanno; De Angelis, Francesco; Di Fabrizio, Enzo; Proietti Zaccaria, Remo; Capiglia, Claudio (2014). „Überblick über die jüngsten Fortschritte bei nanostrukturierten Anodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien“. Zeitschrift für Energiequellen. 257: 421-443. Bibcode:2014JPS...257..421G. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.11.103.
Auf dem chinesischen Markt belief sich die inländische Strombatterieleistung im Juli 2021 auf 17,4 GWh, was einem Anstieg von 185,3 % gegenüber dem Vorjahr und einem Anstieg von 14,2 % gegenüber dem Vormonat entspricht. Unter ihnen beträgt die Leistung der ternären Batterie 8,0 GWh, was 46,0 % der Gesamtleistung ausmacht, mit einem Anstieg von 144,0 % gegenüber dem Vorjahr und einem Anstieg von 8,6 % gegenüber dem Vormonat; Die Leistung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) beträgt 9,3 GWh, was 53,8% der Gesamtleistung ausmacht, mit einem Anstieg von 236,2% gegenüber dem Vorjahr und einem Anstieg von 20,0% gegenüber dem Vormonat.
Von Januar bis Juli dieses Jahres betrug die Gesamtleistung von Strombatterien 92,1 GWh, was einer Steigerung von 210,9 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Unter ihnen betrug die kumulierte Leistung von ternären Batterien 44,8 GWh, was einem Anstieg von 148,2 % gegenüber dem Vorjahr entspricht, was 48,7 % der Gesamtleistung ausmacht; die kumulierte Leistung von LFP-Batterien betrug 47,0 GWh, was einer Steigerung von 310,6 % gegenüber dem Vorjahr entspricht und 51,1 % der Gesamtleistung ausmacht.
In Bezug auf die von der Elektrofahrzeugindustrie installierte Batteriekapazität betrug die Gesamtinstallationskapazität von ternären Batterien im Juli 5,5 GWh, was einem Anteil von 48,7 % entspricht, ein Anstieg von 67,5 % gegenüber dem Vorjahr, aber ein Rückgang von 8,2 % gegenüber dem Vormonat ; die Gesamtinstallation von LFP-Batterien betrug 5,8 GWh, was 51,3 % entspricht, was einem Anstieg von 235,5 % gegenüber dem Vorjahr und einem Anstieg von 13,4 % gegenüber dem Vormonat entspricht.
Von Januar bis Juli betrug die kumulierte Kapazität der in Elektrofahrzeugen installierten ternären Batterien 35,6 GWh, was einem Anstieg von 124,3 % gegenüber dem Vorjahr entspricht, was 55,8 % des installierten Gesamtvolumens entspricht; die kumulierte Kapazität der LFP-Batterien betrug 28,0 GWh, was einer Steigerung von 333,0 % gegenüber dem Vorjahr entspricht und 43,9 % des installierten Gesamtvolumens ausmacht.
Nach Angaben der Chinas Automotive Power Batterieindustrie Innovation Alliance, die im Mai 2021 betrug Chinas Strombatterieleistung 13.8GWh, eine im Vergleich zum Vorjahr einer Steigerung von 165,8%. Unter ihnen war die Leistung von Lithiumeisenphosphat (LFP) Batterien 8.8GWh im Mai eines Anteil von 63,6% aller Batterieleistung, eine Steigerung von 317,3% gegenüber dem Vorjahr und einen Anstieg von 41,6% Monat zu Monat ; die Ausgabe von ternären Lithium-Batterien war 5.0GWh, für 36,2% der Gesamtleistung, eine Zunahme von 62,9% gegenüber dem Vorjahr, aber 25,4% Rückgang gegenüber dem Vormonat entfallen. Durch den Anstieg im Mai dieses Jahr hat die Ausgabe von LFP-Batterien übertreffen ternärer Lithium-Batterien zum ersten Mal seit 2018. Die kumulierte Leistung von LFP Batterie 29.9GWh von Januar bis Mai dieses Jahr war für die Bilanzierung von 50,3% der Gesamtleistung; 29.5GWh zur gleichen Zeit, während die kumulative Leistung von ternären Lithium-Batterien war, einen Anteil von 49,6%.
In Bezug auf die von EV-Industrie installiert Batteriekapazität, Anteil der LFP-Batterien vorübergehend weniger als ternäre Lithium-Batterien immer noch. Im Mai stieg die Installationskapazität von LFP-Batterien von 458,6% gegenüber dem Vorjahr auf 4,5 GWh und die installierte Leistung von ternären Batterien erhöhte sich um 95,3% gegenüber dem Vorjahr um 5,2 GWh. In den ersten fünf Monaten dieses Jahres, Chinas Installation von Strombatteriekapazität betrug 41.4GWh in EV, einen im Vergleich zum Vorjahr einer Steigerung von 223,9%. Unter ihnen war das kumulative Volumen von Ternary Lithiumbatterien 24.2GWh, eine Steigerung von 151,7% gegenüber dem Vorjahr, einen Anteil von 58,5% der gesamten installierten Batterien; das kumulative Volumen von LFP-Batterien war 17.1GWh, eine Steigerung von 456,6% gegenüber dem Vorjahr um 41,3% der gesamten installierten Batterien entfallen. Allerdings ist es erwähnenswert, dass die aktuelle Wachstumsrate von LFP-Batterien in der Produktion und EV Installation weit übertrifft die von Ternary Lithium-Batterien. Wenn das so weitergeht, kann die EV Installation von LFP-Batterien im Juni als auch die die ternären Lithium-Batterien nicht überschreiten.
etwa im Bereich der gesamten ternären Materialien Nach den Statistiken von ICCSINO hat dich der Marktanteil von nickelreichen ternären Materialien (811 & NCA-Typ) im Jahr 2020 auf 22% erhöht, was eine deutliche Steigerung im Vergleich zu dem im Jahr 2019 Während dieses Jahres im Jahr 2021 , Gesamtleistung von Ternary Kathodenmaterialien stellt sich heraus, etwa 106.400 Tonnen in China in Q1 + April sein, von denen nickelreiche Materialien für 32,7% entfielen. Die monatliche Ausgabe im April erreichte ein neues Niveau in einem Rekord von 10.450 Tonnen, eine im Vergleich zum Vorjahr einer Steigerung von 309,8%. Die Wachstumsrate Erwartungen bei weitem übertroffen. Nickelreiche ternäre Materialien wurden nach und nach dem wichtigste Schlachtfeld der Zukunft ternären Materialien.
In der Tat hat in den letzten Jahren die Hoch Vernickelung ternarer Kathodenmaterialien nicht glatt in China Markt. Obwohl der Trend bereits auf dem Markt im Jahr 2018 erschien, nickelreiche Materialien wurden in dem chinesischen neuen Energiemarkt aufgrund technischer und Sicherheitsfragen nicht gut angenommen. Im Jahr 2019 Marktanteil von nickelreichen Material war nur etwa 13%. Doch mit der boomenden Nachfrage in der überseeischen Märkten in den letzten zwei Jahren und die Popularität von nickelreiche Batterien von großen Autofirmen, die Sendungen der chinesischen nickelreiche Kathodenmaterialien wurden stetig zu.
Hier ist ein Diagramm Anteile der verschiedenen ternären Kathodenmaterialien -Ausgabe in China Markt in Q1 + April in den letzten Jahren zeigt. Quelle: ICCSINO.COM
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