¿Es LiTFSI la mejor opción para mejorar el rendimiento a baja temperatura en celdas HEV?

2021-10-11 | Jerry Huang

Generalmente se cree que cuanto mayor es la proporción de carbono duro (por encima del 15%) que se recubre en el ánodo de una batería de iones de litio, mejor es su conductividad. Sin embargo, debemos dejar claro que la compactación de las piezas polares de carbono duro puro es de aproximadamente 1,15 g / cc. Si se recubre más carbono duro en el material de grafito, la densidad de compactación de toda la pieza polar se reducirá (sin aumentar el espacio entre las capas del material del núcleo). Solo puede alcanzar 1,2 g / cc como máximo. Al mismo tiempo, el carbono duro puede compactarse y es posible que el rendimiento no se aproveche por completo. Por lo tanto, es necesario elegir diferentes proporciones de recubrimiento de carbono duro según los escenarios de aplicación.

Es de sentido común que el material del ánodo generalmente está sometido a tensiones desiguales y es irregular. Cuanto mayor sea el tamaño de partícula del material, mayor será la resistencia interna. Por lo tanto, si se usa un revestimiento de carbono duro, aunque la vida útil del ciclo de la batería se puede ampliar significativamente, su vida útil es relativamente pobre (la capacidad de la celda de la batería se reduce considerablemente con un almacenamiento de 6 meses).

¿Es LiTFSI la mejor opción para mejorar el rendimiento a baja temperatura en celdas HEV?

Obviamente, el material de ánodo recubierto de carbono duro no es suficiente para resolver los puntos débiles de un rendimiento deficiente a baja temperatura; algunos otros materiales deben mejorarse, como los electrolitos. Los electrolitos son una parte importante de las baterías de iones de litio y no solo determinan la tasa de migración de los iones de litio Li + en la fase líquida, sino que también juegan un papel clave en la formación de la película SEI. Al mismo tiempo, los electrolitos existentes tienen una constante dieléctrica más baja, por lo que los iones de litio pueden atraer más moléculas de disolvente y liberarlas durante la desolvatación, provocando mayores cambios de entropía del sistema y coeficientes de temperatura (TC) más altos. Por lo tanto, es importante encontrar un método de modificación que tenga un cambio de entropía más pequeño durante la desolvatación, un coeficiente de temperatura más bajo y se vea menos afectado por la concentración de electrolitos. Actualmente, existen dos formas de mejorar el rendimiento a baja temperatura a través de electrolitos:

1. Mejore la conductividad a baja temperatura de los electrolitos optimizando la composición del solvente. El rendimiento de los electrolitos a baja temperatura está determinado por el punto eutéctico de baja temperatura. Si el punto de fusión es demasiado alto, es probable que el electrolito cristalice a bajas temperaturas, lo que afectará gravemente a la conductividad de los electrolitos y, en última instancia, provocará un fallo de la batería de litio. El carbonato de etileno EC es un componente disolvente importante del electrolito. Su punto de fusión es de 36 ° C. A bajas temperaturas, es probable que su solubilidad disminuya e incluso se precipiten cristales en los electrolitos. Añadiendo componentes de bajo punto de fusión y de baja viscosidad para diluir y reducir el contenido de CE del disolvente, la viscosidad y el punto eutéctico del electrolito se pueden reducir eficazmente a bajas temperaturas y se puede mejorar la conductividad de los electrolitos. Además, los estudios nacionales y extranjeros también han demostrado que el uso de ácido carboxílico de cadena, acetato de etilo, propionato de etilo, acetato de metilo y butirato de metilo como codisolvente de electrolito es beneficioso para la mejora de la conductividad a baja temperatura de los electrolitos y mejora en gran medida el rendimiento de la batería a baja temperatura. Se han realizado avances importantes en este ámbito.
2. El uso de nuevos aditivos para mejorar las propiedades de la película SEI la hace propicia para la conducción de iones de litio a bajas temperaturas. La sal de electrolito es uno de los componentes importantes de los electrolitos, y también es un factor clave para obtener un excelente rendimiento a baja temperatura. Desde 2021, la sal de electrolito utilizada a gran escala es el hexafluorofosfato de litio. La película SEI que se forma fácilmente después del envejecimiento tiene una gran impedancia, lo que da como resultado un rendimiento deficiente a baja temperatura. Por lo tanto, el desarrollo de un nuevo tipo de sal de litio se vuelve urgente. El tetrafluoroborato de litio y el borato de difluorooxalato de litio (LiODFB), como sales de litio para electrolitos, también han aportado una alta conductividad a altas y bajas temperaturas, por lo que la batería de iones de litio exhibe un excelente rendimiento electroquímico en un amplio rango de temperaturas.

Como un nuevo tipo de sal de litio no acuosa, LiTFSI tiene una alta estabilidad térmica, un pequeño grado de asociación de anión y catión, y alta solubilidad y disociación en sistemas de carbonato. A bajas temperaturas, la alta conductividad y la baja resistencia a la transferencia de carga del electrolito del sistema LiFSI garantizan su rendimiento a baja temperatura. Mandal et al. ha utilizado LiTFSI como sal de litio y EC / DMC / EMC / pC (relación de masa 15: 37: 38: 10) como disolvente básico para el electrolito; y el resultado mostró que el electrolito todavía tiene una alta conductividad de 2 mScm-1 a -40 ° C. Por lo tanto, LiTFSI se considera el electrolito más prometedor que puede reemplazar al hexafluorofosfato de litio y también se considera una alternativa para la transición a una era de electrolitos sólidos.

Según Wikipedia, la bis (trifluorometanosulfonil) imida de litio, a menudo denominada simplemente LiTFSI, es una sal hidrófila con la fórmula química LiC2F6NO4S2. LiTFSI es un cristal o polvo blanco que se puede utilizar como sal de litio de electrolito orgánico para baterías de iones de litio, lo que hace que el electrolito muestre una alta estabilidad electroquímica y conductividad. Se usa comúnmente como fuente de iones de litio en electrolitos para baterías de iones de litio como una alternativa más segura al hexafluorofosfato de litio de uso común. Está compuesto por un catión Li y un anión bistriflimida. Debido a su muy alta solubilidad en agua (> 21 m), LiTFSI se ha utilizado como sal de litio en electrolitos de agua en sal para baterías acuosas de iones de litio.

LiTFSI se puede obtener mediante la reacción de bis (trifluorometilsulfonil) imida e hidróxido de litio o carbonato de litio en una solución acuosa, y el anhidro se puede obtener mediante secado al vacío a 110 ° C: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

La bis (trifluorometilsulfonil) imida de litio se puede usar para preparar electrolitos para baterías de litio y como un nuevo catalizador ácido de Lewis en tierras raras; se utiliza para preparar sales de imidazolio quirales mediante la reacción de sustitución aniónica de los correspondientes trifluorometanosulfonatos. Este producto es un importante compuesto de iones orgánicos que contiene flúor, que se utiliza en baterías secundarias de litio, supercondensador Chemicalbook, condensadores electrolíticos de aluminio, materiales electrolíticos no acuosos de alto rendimiento y como nuevo catalizador de alta eficiencia. Sus usos básicos son los siguientes:

1. Baterías de litio
2. Líquidos iónicos
3. Anti estático
4. Medicina (mucho menos común)

Sin embargo, un ingeniero de I + D de China dijo una vez: “LiTFSI se usa principalmente como aditivo en los electrolitos actuales y no se usará solo como la sal principal. Además, incluso si se usa como aditivo, el electrolito formulado tiene un mejor rendimiento que otros electrolitos. El electrolito LiTFSI es mucho más caro que los tipos habituales de electrolitos, por lo que no se agrega LiTFSI si no hay requisitos especiales sobre el rendimiento del electrolito ".

Se cree que en algunos escenarios de aplicación, existen requisitos sustanciales para baterías de alta potencia, escenarios como montacargas eléctricos y AGV. En lo que respecta a la durabilidad y los atributos de las herramientas de producción, también es necesario resolver los problemas de ciclo de vida y rendimiento a baja temperatura al mismo tiempo. Por lo tanto, continuará la investigación y el desarrollo de electrolitos de próxima generación. Pero sigue siendo una preocupación multidimensional y una competencia de rendimiento, costo y seguridad; y los mercados eventualmente tomarán sus propias decisiones.

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