Se informa que la batería de iones de litio de alta densidad de energía y alto voltaje es barata y no contiene metales

2022-07-10 | Jerry Huang

Nota del editor: los investigadores informan sobre un avance electroquímico de alto voltaje y alta densidad de energía de la batería de iones de litio que es económico y no contiene metales (respetuoso con el medio ambiente). Esta batería de iones de litio orgánica de clase 4 V presenta una alta capacidad teórica y alto voltaje, mientras que sus materiales prácticos de cátodo y electrolitos permanecen sin explorar.

¿Son las moléculas pequeñas orgánicas activas redox aplicables a los cátodos de baterías de iones de litio de alto voltaje (>4 V)?

Por: Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Kazuyuki Iwase, Yoshiyuki Gambe, Itaru Honma | Publicado por primera vez: 10 de marzo de 2022 en Advanced Science

4 baterías de iones de litio orgánicas Clase V

Si bien las baterías orgánicas de iones de litio han atraído una gran atención debido a sus altas capacidades teóricas, los materiales de cátodos orgánicos de alto voltaje siguen sin explorarse. En el artículo número 2200187, Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Itaru Honma y colaboradores informan sobre la electroquímica del ácido crocónico a alto voltaje. Las investigaciones teóricas y experimentales confirman que los dos enolatos en ácido crocónico muestran alrededor de 4 V redox, que pueden utilizarse para el almacenamiento de energía.

Resumen

Si bien las baterías orgánicas han atraído una gran atención debido a sus altas capacidades teóricas, los materiales activos orgánicos de alto voltaje (> 4 V vs Li/Li+) siguen sin explorarse. Aquí, los cálculos de la teoría funcional de la densidad se combinan con mediciones de voltamperometría cíclica para investigar la electroquímica del ácido crocónico (CA) para su uso como material de cátodo de batería de iones de litio en electrolitos de dimetilsulfóxido y γ-butirolactona (GBL). Los cálculos DFT demuestran que la sal de dilitio CA (CA–Li2) tiene dos grupos de enolato que experimentan reacciones redox por encima de 4,0 V y una densidad de energía teórica a nivel de material de 1949 Wh kg–1 para almacenar cuatro iones de litio en GBL, superando el valor de ambos materiales catódicos inorgánicos convencionales y orgánicos conocidos. Las mediciones de voltamperometría cíclica revelan una reacción redox altamente reversible por parte del grupo enolato a ≈4 V en ambos electrolitos. Las pruebas de rendimiento de la batería de CA como cátodo de batería de iones de litio en GBL muestran dos mesetas de voltaje de descarga a 3,9 y 3,1 V, y una capacidad de descarga de 102,2 mAh g–1 sin pérdida de capacidad después de cinco ciclos. Con los voltajes de descarga más altos en comparación con las moléculas pequeñas orgánicas de última generación conocidas, CA promete ser un candidato principal de material de cátodo para futuras baterías orgánicas de iones de litio de alta densidad de energía.

Referencias:

1. https://doi.org/10.1002/advs.202200187

Se revela una tecnología innovadora de LFP a baja temperatura

2022-04-19 | Jerry Huang

El 15 de abril, un equipo de I+D de Changzhou Liyuan New Energy Co anunció en Nanjing que la empresa había logrado un avance tecnológico en el material del cátodo LFP, que mejoró significativamente el rendimiento de LFP, así como la velocidad de carga, a baja temperatura.

Un EV alimentado por una batería LFP convencional tiene su propia desventaja obvia de ansiedad por el alcance, es decir, su alcance suele ser alrededor del 50% de su rango NEDC / WLTP / EPA declarado a bajas temperaturas como -20 ℃.

Se afirma que el nuevo material LFP, "LFP-1", fue desarrollado por más de 20 expertos en I+D de su Centro de Investigación de Shenzhen después de más de 2000 experimentos repetidos en ocho años y el equipo de I+D ha ganado 5 patentes con él.

Se informa que el rendimiento innovador de "LFP-1" se logra mediante el establecimiento de canales de transporte de iones de litio de alta velocidad dentro del material del cátodo junto con tecnología de "esferas de energía" de última generación; y las características materiales:

• Aumento de la tasa de capacidad de descarga de la batería LFP del 55 % al 85 % a -20 ℃ grados, y de casi cero al 57 % a -40 ℃ grados.

• Consigue una autonomía de 500 kilómetros en tan solo 15 minutos con carga rápida de tasa 4C. En comparación, un vehículo eléctrico alimentado por una batería LFP convencional suele necesitar una carga rápida de 40 minutos para alcanzar una autonomía de unos 550 kilómetros.

¿Será el sodio la próxima solución?

2022-04-08 | Jerry Huang

En 2020, los involucrados en el mercado de vehículos eléctricos especulaban con entusiasmo que la disminución del costo de las baterías de litio traería un rápido crecimiento de las ventas de vehículos eléctricos en todo el mundo, y realmente lo hizo.

Cuando se trata del primer trimestre de 2022, la mayoría de nosotros simplemente no estamos listos para enfrentar la "locura de marzo", dijo el Sr. Jow Lowry de Global Lithium LLC, sobre un aumento dramático en el precio del carbonato de litio y el hidróxido de litio en febrero y principios. Marzo. Sin embargo, cree que los altos precios del litio no crearán una destrucción de la demanda del mercado de vehículos eléctricos. “Tenemos altos precios del litio por la falta de inversión que ha creado el desequilibrio oferta-demanda. No creo que esto vaya a destruir la demanda. Creo que es, dicho más correctamente, adelantará la demanda. La revolución de los vehículos eléctricos se verá limitada en esta década por la falta de suministro de litio. No hay duda de eso ahora”, dice el Sr. Jow Lowry.

A pesar de los precios récord del litio, muchos otros materiales para baterías, como el níquel, el cobalto y el aluminio, también experimentaron una ola histórica de aumento de precios en el primer trimestre de este año, lo que resultó en un aumento continuo del costo de la batería y más de 20 anuncios de fabricantes de equipos originales (OEM) de sus vehículos eléctricos. aumento de precio en marzo de 2022.

Entonces, ¿hacia dónde se dirige la batería de litio? Algunos expertos dicen que las baterías de litio irán a EV de gama media y alta, electrónica de consumo, vehículos marinos eléctricos y vehículos aéreos, etc.

¿Qué pasa con el nivel de entrada de EV y el almacenamiento de energía? ¿Serán las baterías químicas de sodio otra opción para ellos? Hay abundante sodio y otros recursos en la tierra para las baterías de sodio, que se cree que son económicas y respetuosas con el medio ambiente. ¿Existen otras soluciones de batería que sean altamente escalables? Esperemos y veamos qué avances de investigación vendrán después.

Carrera de química celular: sistemas de litio vs sodio

2021-12-08 | Jerry Huang

La investigación dedicada a las baterías de litio-azufre (Li / S ₈ ) y de litio-oxígeno (Li / O ₂ ) a temperatura ambiente ha aumentado significativamente en los últimos diez años. La carrera por desarrollar tales sistemas celulares está motivada principalmente por la altísima densidad de energía teórica y la abundancia de azufre y oxígeno. Sin embargo, la química celular es compleja y el progreso hacia el desarrollo práctico de dispositivos sigue obstaculizado por algunos problemas clave fundamentales, que actualmente se están abordando mediante numerosos enfoques.

Sorprendentemente, no se sabe mucho sobre los sistemas de baterías análogos a base de sodio, aunque las baterías de Na / S ₈ y Na / NiCl _{2 de} alta temperatura ya comercializadas sugieren que una batería recargable a base de sodio es factible a gran escala. Además, la abundancia natural de sodio es un beneficio atractivo para el desarrollo de baterías basadas en componentes de bajo costo.

Esta revisión proporciona un resumen del conocimiento más avanzado sobre baterías de litio-azufre y litio-oxígeno y una comparación directa con los sistemas análogos de sodio. Las propiedades generales, los principales beneficios y desafíos, las estrategias recientes para mejorar el rendimiento y las pautas generales para un mayor desarrollo se resumen y se discuten críticamente. En general, la sustitución de sodio por litio tiene un fuerte impacto en las propiedades generales de la reacción de la celda y, por lo tanto, se pueden esperar diferencias en el transporte de iones, estabilidad de fase, potencial de electrodo, densidad de energía, etc.

Si estas diferencias beneficiarán a una química celular más reversible sigue siendo una cuestión abierta, pero algunos de los primeros informes sobre las _{células de Na / S 8} y Na / O _{2 a} temperatura ambiente ya muestran algunas diferencias interesantes en comparación con las establecidas Li / S ₈ y Sistemas Li / O _2.

Las baterías recargables de iones de litio (LIB) se han convertido rápidamente en la forma más importante de almacenamiento de energía para todas las aplicaciones móviles desde su comercialización a principios de la década de 1990. Esto se debe principalmente a su inigualable densidad de energía que supera fácilmente a otros sistemas de baterías recargables como el hidruro metálico o el plomo-ácido. Sin embargo, la necesidad constante de almacenar electricidad de forma aún más segura, más compacta y asequible requiere una investigación y un desarrollo continuos.

La necesidad de un almacenamiento de energía estacionario y económico se ha convertido en un desafío adicional, que también desencadena la investigación sobre baterías alternativas. Los principales esfuerzos se dirigen hacia la mejora continua de las diferentes tecnologías de iones de litio mediante un envasado y un procesamiento más eficientes, mejores electrolitos y materiales de electrodos optimizados, por ejemplo. Aunque se ha logrado un progreso significativo con respecto a la densidad de potencia durante los últimos años, el aumento en la densidad de energía (volumétrica y gravimétrica) fue relativamente pequeño. En la Figura 1 se muestra una comparación de diferentes tecnologías de baterías con respecto a sus densidades de energía.

Figura 1: Densidades de energía teóricas y prácticas (estimadas) de diferentes baterías recargables: Pb – ácido - plomo ácido, NiMH - hidruro metálico de níquel, ion-Na - estimación derivada de datos para ion-litio asumiendo un voltaje de celda ligeramente más bajo, Li- ion - promedio sobre diferentes tipos, HT-Na / S ₈ - batería de sodio-azufre de alta temperatura, Li / S ₈ y Na / S ₈ - batería de litio-azufre y sodio-azufre asumiendo Li ₂ S y Na2S como productos de descarga, Li / O ₂ y Na / O ₂ - batería de litio-oxígeno (los valores teóricos incluyen el peso del oxígeno y dependen de la estequiometría del producto de descarga supuesto, es decir, óxido, peróxido o superóxido). Tenga en cuenta que los valores para las densidades de energía prácticas pueden variar en gran medida según el diseño de la batería (tamaño, alta potencia, alta energía, celda única o batería) y el estado de desarrollo. Todos los valores de densidades de energía prácticas se refieren al nivel de la celda (excepto Pb-ácido, 12 V). Los valores para las _{baterías Li / S 8} y Li / O ₂ se tomaron de la literatura (citada en el texto principal) y se utilizan para estimar las densidades de energía para las celdas de _{Na / S 8} y Na / O _2. De las tecnologías anteriores, hasta la fecha solo se han comercializado las tecnologías de plomo-ácido, NiMH, Li-ion y Na / S _{8 de alta temperatura.}

Referencias:

1. https://www.beilstein-journals.org/bjnano/articles/6/105

Tetrafluoroborato de litio (LiBF4) como aditivo electrolítico para baterías de iones de litio

2021-12-05 | Jerry Huang

Se investiga el tetrafluoroborato de litio (LiBF ₄ ) utilizado como aditivo electrolítico para mejorar el rendimiento cíclico de LiNi _0,5 Co _0,2 Mn _0,3 O ₂ / celda de grafito (NMC532) a un voltaje de funcionamiento más alto.

Con la adición de 1.0% en peso de LiBF4 al electrolito, la capacidad de retención de la batería de iones de litio después de 100 ciclos mejoró enormemente de 29.2% a 90.1% en el voltaje de 3.0 V-4.5 V. operación de voltaje, se examinan las propiedades que incluyen el rendimiento de la celda, el comportamiento de impedancia así como las características de las propiedades interfaciales del electrodo.

Se encuentra que es probable que LiBF4 participe en la formación de la película de interfaz en ambos electrodos. Los rendimientos mejorados de la celda se atribuyen a la modificación de los componentes de la capa de interfaz en el ánodo de grafito y el cátodo LiNi _0.5 Co _0.2 Mn _0.3 O ₂ , lo que conduce a reducir la impedancia interfacial.

Fuente: Zuo, Xiaoxi & Fan, Chengjie & Liu, Jiansheng & Xiao, Xin & Wu, Junhua & Nan, Junmin. (2013). Tetrafluoroborato de litio como aditivo electrolítico para mejorar el rendimiento de alto voltaje de la batería de iones de litio. Revista de la Sociedad Electroquímica. 160. A1199-A1204. 10.1149 / 2.066308jes. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.066308jes

Difluorofosfato de litio frente a difluorofosfato de sodio como aditivos de electrolitos de iones de litio

2021-11-24 | Jerry Huang

El difluorofosfato de litio (LiDFP, LFO) es muy útil como aditivo electrolítico para mejorar el rendimiento del ciclo de vida de la batería de iones de litio y la retención de la capacidad de descarga a alta temperatura, así como para reducir la autodescarga. ¿Mientras que el difluorofosfato de sodio tiene un rendimiento similar en la celda de batería NMC532? Echemos un vistazo a un artículo publicado en Journal of The Electrochemical Society en 2020.

Conclusión: Se sintetizaron y evaluaron tres nuevos aditivos de electrolitos de sales de difluorofosfato en celdas de bolsa de grafito / NMC532. El difluorofosfato de amonio (AFO) se prepara fácilmente mediante una reacción de sobremesa en estado sólido de fluoruro de amonio y pentóxido de fósforo que solo requiere un calentamiento suave para iniciarse. El mejor rendimiento de difluorofosfato de sodio (NaFO) en el presente estudio se obtuvo haciendo reaccionar ácido difluorofosfórico y carbonato de sodio en 1,2-diemetoxietano sobre tamices moleculares de 3 Å, un agente desecante muy fuerte. Se preparó difluorofosfato de tetrametilamonio (MAFO) a partir de NaFO mediante intercambio catiónico con cloruro de tetrametilamonio.

Se informa que el NaFO es un aditivo electrolítico muy bueno, con un rendimiento similar en las celdas NMC532 / gr como el aditivo de difluorofosfato de litio (LFO) más conocido, cada uno de los cuales muestra una retención de la capacidad de descarga de ~ 90% después de más de 1,500 ciclos a 40 ° C. La estabilidad a largo plazo durante el ciclo entre 3,0 y 4,3 V se compara favorablemente con las células de referencia de DTD al 1% de 2% VC al 1% informadas por Harlow et al., Que tienen una capacidad de retención de ~ 94% después de 1500 ciclos. La naturaleza beneficiosa de ambos aditivos se atribuye al anión difluorofosfato. Por el contrario, AFO y MAFO son aditivos electrolíticos deficientes. Se sugiere que esto se debe a la formación de nitruro de litio para el primero. Se desconoce por qué los cationes tetrametilamonio tienen un efecto negativo sobre la estabilidad celular.

Referencias:

1. Síntesis y evaluación de aditivos de electrolitos de sal de difluorofosfato para baterías de iones de litio, Revista de la Sociedad Electroquímica, 2020167 100538, David S. Hall, Toren Hynes, Connor P. Aiken y JR Dahn

LiFSI frente a LiPF6 en electrolitos de baterías de iones de litio

2021-11-11 | Jerry Huang

¿LiFSI reemplazará al LiPF6 en los electrolitos de las baterías de iones de litio? El uso de la nueva sal de litio bis (fluorosulfonil) imida (LiFSI) en lugar de hexafluorofosfato de litio (LiPF6) como electrolito mejora el rendimiento de las baterías de iones de litio con ánodos de silicio, según un artículo publicado en el Journal of the American Chemical Society por investigadores. en Europa.

La bis (fluorosulfonil) imida de litio, comúnmente conocida como LiFSI, tiene la fórmula molecular F2LiNO4S2 y el número CAS 171611-11-3. LiFSI parece ser un polvo blanco, con un peso molecular de 187.07 y un punto de fusión entre 124-128 ° C (255-262.4 ° F).

En comparación con LiPF6, LiFSI no solo mejora la estabilidad térmica en la tecnología de baterías de iones de litio, sino que también ofrece un mejor rendimiento en términos de conductividad eléctrica, ciclo de vida y baja temperatura. Sin embargo, LiFSI puede tener ciertos efectos corrosivos sobre el papel de aluminio. Algunos artículos académicos muestran que la corrosión del papel de aluminio proviene principalmente de los iones FSI en LiFSI, pero este problema puede resolverse con aditivos como los aditivos de papel de aluminio de pasivación que contienen flúor.

La tendencia es bastante segura de que LiFSI se está convirtiendo en una de las principales sales de litio para electrolitos de próxima generación. Actualmente, las baterías ternarias de litio y las baterías LFP se mejoran constantemente y se repiten generación tras generación que tienen requisitos más altos de densidad de energía, rendimiento a alta y baja temperatura, ciclo de vida y rendimiento de velocidad de carga y descarga.

Debido a la alta dificultad técnica en la producción en masa y el alto costo, LiFSI no se ha utilizado directamente como una sal de litio soluto, sino como un aditivo mezclado con hexafluorofosfato de litio (LiPF6) para su uso en los electrolitos de las baterías de iones de litio de potencia especialmente. Por ejemplo, LG Chem ha estado usando LiFSI como aditivo en sus electrolitos durante bastante tiempo. A medida que la tecnología mejore, se agregarán más y más LiFSI a los electrolitos. Se cree que el costo de LiFSI se reducirá aún más con el aumento de la producción en masa. Y a medida que pasa el tiempo, LiFSI tiene el potencial de reemplazar al LiPF6 como la principal sal de litio para los electrolitos de las baterías de iones de litio.

Fuentes:

• https://www.greencarcongress.com/2013/06/lifsi-20130626.html

¿El mercado de hexafluorofosfato de litio (LiPF6) aumentará o colapsará en 2021?

2021-11-01 | Jerry Huang

El hexafluorofosfato de litio (LiPF6) es una materia prima clave en la tecnología actual, para electrolitos de baterías de iones de litio de baterías de potencia de iones de litio, baterías de almacenamiento de energía de iones de litio y baterías de iones de litio de otros productos electrónicos de consumo. Junto con el auge de la industria de los vehículos eléctricos, el segmento de baterías de iones de litio consume la mayor parte de LiPF6 del mercado.

Desde septiembre de 2020, las ventas de vehículos de nueva energía han aumentado sustancialmente, lo que ha impulsado el aumento de las ventas de hexafluorofosfato de litio. Se estima que la demanda de hexafluorofosfato de litio en el segmento de baterías de energía será de unas 66.000 toneladas en 2021 y de unas 238.000 toneladas en 2025, con una tasa de crecimiento anual promedio de alrededor del 40%.

Según los datos de enero a septiembre de 2021, la capacidad acumulada de China de la batería LFP en la instalación de vehículos eléctricos es de aproximadamente 45,38 GWh, y la capacidad acumulada de las baterías ternarias es de aproximadamente 49,70 GWh. Se espera que la capacidad total anual de la batería LFP en la instalación de vehículos eléctricos supere la del ternario en 2021, con una alta tasa de crecimiento interanual esperada.

Al 18 de octubre, el precio del hexafluorofosfato de litio era de 520.000 yuanes / tonelada, y ha aumentado casi un 500% en 2021 con un precio de 107.000 yuanes / tonelada solo a principios de este año, estableciendo un nuevo récord desde junio de 2017. El hexafluorofosfato de litio y los aditivos de electrolitos se han convertido claramente en uno de los materiales con mayores tasas de crecimiento este año. Se espera que continúe la fuerte demanda en el mercado, y actualmente hay escasez.

¿Seguirá aumentando el precio del carbonato de litio?

2021-10-18 | Jerry Huang

Veamos las situaciones de oferta-demanda del carbonato de litio para evaluar sus tendencias de precios.

Carbonato de litio de grado de batería (Li2CO3)

Las principales áreas demandantes de carbonato de litio para baterías son actualmente la preparación de materiales de cátodos ternarios NMC, óxido de cobalto de litio y parte de fosfato de hierro y litio (LFP).

En 2021, la tasa de crecimiento general de NMC532 y NMC622 ha sido baja, en comparación con los materiales ternarios ricos en Ni y LFP. En el segundo semestre de 2021, se estima que la demanda de carbonato de litio de grado de batería procedente de la producción de materiales de cátodos ternarios NMC será de aproximadamente 48.470 toneladas, un aumento de solo el 2,4% con respecto al segundo semestre anterior de 2020.

Debido al impacto negativo de la pandemia, el volumen de exportación de productos electrónicos de consumo de China ha disminuido significativamente, con un pequeño aumento en su mercado interno. La demanda de carbonato de litio de grado de batería por parte de los fabricantes de óxido de cobalto y litio ha disminuido. En el segundo semestre de 2021, se estima que la demanda de carbonato de litio de esta zona será de unas 16.737 toneladas, una disminución del 9,7% con respecto al segundo semestre de 2020.

En términos de demanda de materiales LFP, muchas plantas de material LFP de tipo de energía convencional utilizan actualmente carbonato de litio de grado de batería como su principal fuente de litio (que representa aproximadamente el 30%) para garantizar la calidad de la batería de energía LFP para el mercado de vehículos eléctricos. Bajo el desequilibrio de la oferta y la demanda en el mercado de baterías LFP de energía, las empresas han comenzado a expandir su capacidad de producción en gran medida. En el segundo semestre de 2021, se espera que la demanda de carbonato de litio para baterías de este campo sea de aproximadamente 14,788 toneladas, un aumento del 30% con respecto al segundo semestre de 2020.

Carbonato de litio de grado industrial (Li2CO3)

La principal área de demanda de carbonato de litio de grado industrial es la producción de material LFP de calidad media, manganato de litio, hexafluorofosfato de litio y algunas industrias tradicionales.

En términos de demanda de la producción de material LFP, desde el segundo semestre de 2020, las ventas de modelos EV de clase A00 han crecido rápidamente en el mercado de China, lo que ha resultado en una gran demanda de baterías LFP de potencia de calidad media. Al mismo tiempo, algunos modelos de gama media y alta, como Tesla Model Y y Model 3, también han lanzado sus propias versiones con tecnología LFP. Además, la demanda de baterías LFP en el mercado de almacenamiento de energía y vehículos de dos ruedas también está aumentando. Actualmente, la demanda de carbonato de litio de grado industrial (incluido el de casi grado de batería) de la producción de material LFP representa aproximadamente el 70%, en comparación con la del carbonato de litio de grado de batería. En el H2 de 2021, se espera que la demanda de carbonato de litio de grado industrial de este campo sea de aproximadamente 34,505 toneladas, un aumento del 30% con respecto al H2 de 2020.

En cuanto a la demanda de la producción de manganato de litio, debido a la menor cantidad de pedidos de productos electrónicos de consumo y vehículos de dos ruedas en el extranjero, la demanda de material de cátodo de manganato de litio no es fuerte. Al mismo tiempo, a medida que el precio de las sales de litio sigue aumentando, los fabricantes tienen una gran presión sobre el aumento de costos y algunos de ellos redujeron su producción. Por lo tanto, la demanda de carbonato de litio de grado industrial continúa reduciéndose. Hubo una reducción obvia de la producción de materiales OVM a principios de este año en el Festival de Primavera. Sin embargo, en el H2 de 2021, se espera que la demanda de carbonato de litio de grado industrial de este campo sea de aproximadamente 11,900 toneladas, un ligero aumento del 8% con respecto al H2 de 2020 anterior.

Con respecto a la demanda de la preparación de hexafluorofosfato de litio, junto con las grandes ventas en el mercado de vehículos eléctricos, la producción nacional de electrolitos ha aumentado significativamente y la demanda de hexafluorofosfato de litio (LiPF6) también ha aumentado considerablemente. En el H2 de 2021, se estima que la demanda de carbonato de litio de grado industrial de esta área es de aproximadamente 11,236 toneladas, un aumento del 40% con respecto al H2 de 2020.

La demanda restante de carbonato de litio de grado industrial proviene de la producción de litio metálico, hidróxido de litio procesado caustificado y productos farmacéuticos, que representa alrededor del 26% de su demanda total, con un ligero aumento.

En conclusión, la demanda general de carbonato de litio continúa aumentando rápidamente. Sin embargo, la producción general de carbonato de litio se está reduciendo en el segundo semestre de 2021 debido a la disminución del suministro de espodumena, a pesar de un mayor suministro de fuentes de salmuera nacionales y extranjeras. Es más probable que los precios del carbonato de litio aumenten si las estimaciones anteriores son correctas.

¿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.

Referencias:

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