Le LiTFSI est-il le meilleur choix pour améliorer les performances à basse température des cellules HEV ?

2021-10-11 | Jerry Huang

En général, on pense que plus la proportion de carbone dur (supérieure à 15 %) est enduite sur l'anode d'une batterie Li-ion, meilleure est sa conductivité. Cependant, il faut préciser que le compactage des pièces polaires en carbone dur pur est d'environ 1,15 g/cc. Si plus de carbone dur est appliqué sur le matériau graphite, la densité de compactage de l'ensemble de la pièce polaire sera réduite (sans augmenter l'espace entre les couches de matériau central). Il ne peut atteindre que 1,2 g/cc au maximum. Dans le même temps, le carbone dur peut être compacté et les performances peuvent ne pas être pleinement utilisées. Par conséquent, il est nécessaire de choisir un rapport différent de revêtement de carbone dur en fonction des scénarios d'application.

Il est de bon sens que le matériau de l'anode est généralement inégalement sollicité et irrégulier. Plus la granulométrie du matériau est grande, plus la résistance interne est grande. Par conséquent, si un revêtement en carbone dur est utilisé, bien que la durée de vie de la batterie puisse être considérablement allongée, sa durée de vie calendaire est relativement faible (la capacité des cellules de la batterie diminue considérablement au cours d'un stockage de 6 mois).

Le LiTFSI est-il le meilleur choix pour améliorer les performances à basse température des cellules HEV ?

De toute évidence, un matériau d'anode revêtu de carbone dur ne suffit pas à résoudre les problèmes de mauvaise performance à basse température; certains autres matériaux doivent être améliorés, comme les électrolytes. Les électrolytes sont une partie importante des batteries lithium-ion, et ils déterminent non seulement le taux de migration des ions lithium Li+ en phase liquide, mais jouent également un rôle clé dans la formation du film SEI. Dans le même temps, les électrolytes existants ont une constante diélectrique plus faible, de sorte que les ions lithium peuvent attirer plus de molécules de solvant et les libérer pendant la désolvatation, provoquant des changements d'entropie du système plus importants et des coefficients de température (TC) plus élevés. Par conséquent, il est important de trouver une méthode de modification qui a un plus petit changement d'entropie pendant la désolvatation, un coefficient de température plus faible et est moins affectée par la concentration en électrolyte. Actuellement, il existe deux façons d'améliorer les performances à basse température grâce aux électrolytes :

1. Améliorer la conductivité à basse température des électrolytes en optimisant la composition du solvant. Les performances à basse température des électrolytes sont déterminées par le point eutectique à basse température. Si le point de fusion est trop élevé, l'électrolyte est susceptible de cristalliser à basse température, ce qui affectera sérieusement la conductivité des électrolytes et conduira finalement à une défaillance de la batterie au lithium. Le carbonate d'éthylène EC est un composant solvant important de l'électrolyte. Son point de fusion est de 36°C. À basse température, sa solubilité est susceptible de diminuer et même des cristaux sont précipités dans les électrolytes. En ajoutant des composants à faible point de fusion et à faible viscosité pour diluer et réduire la teneur en EC du solvant, la viscosité et le point eutectique de l'électrolyte peuvent être efficacement réduits à basse température et la conductivité des électrolytes peut être améliorée. En outre, des études nationales et étrangères ont également montré que l'utilisation d'acide carboxylique à chaîne, d'acétate d'éthyle, de propionate d'éthyle, d'acétate de méthyle et de butyrate de méthyle comme cosolvant électrolytique est bénéfique pour l'amélioration de la conductivité à basse température des électrolytes et améliore considérablement les performances à basse température de la batterie. Des progrès significatifs ont été réalisés dans ce domaine.
2. L'utilisation de nouveaux additifs pour améliorer les propriétés du film SEI le rend propice à la conduction des ions lithium à basse température. Le sel d'électrolyte est l'un des composants importants des électrolytes, et c'est également un facteur clé pour obtenir d'excellentes performances à basse température. Depuis 2021, le sel d'électrolyte utilisé à grande échelle est l'hexafluorophosphate de lithium. Le film SEI qui se forme facilement après vieillissement a une grande impédance, ce qui entraîne de mauvaises performances à basse température. Par conséquent, le développement d'un nouveau type de sel de lithium devient urgent. Le tétrafluoroborate de lithium et le borate de difluorooxalate de lithium (LiODFB), en tant que sels de lithium pour électrolyte, ont également apporté une conductivité élevée à des températures élevées et basses, de sorte que la batterie lithium-ion présente d'excellentes performances électrochimiques dans une large plage de températures.

En tant que nouveau type de sel de lithium non aqueux, le LiTFSI présente une stabilité thermique élevée, un faible degré d'association d'anions et de cations, ainsi qu'une solubilité et une dissociation élevées dans les systèmes carbonatés. À basse température, la conductivité élevée et la faible résistance au transfert de charge de l'électrolyte du système LiFSI garantissent ses performances à basse température. Mandal et al. a utilisé LiTFSI comme sel de lithium et EC/DMC/EMC/pC (rapport massique 15:37:38:10) comme solvant basique pour l'électrolyte; et le résultat a montré que l'électrolyte a toujours une conductivité élevée de 2 mScm-1 à -40°C. Par conséquent, le LiTFSI est considéré comme l'électrolyte le plus prometteur pouvant remplacer l'hexafluorophosphate de lithium, et est également considéré comme une alternative pour la transition vers l'ère des électrolytes solides.

Selon Wikipedia, le lithium bis(trifluorométhanesulfonyl)imide, souvent simplement appelé LiTFSI, est un sel hydrophile de formule chimique LiC2F6NO4S2. Le LiTFSI est un cristal blanc ou une poudre qui peut être utilisé comme sel de lithium électrolytique organique pour les batteries lithium-ion, ce qui rend l'électrolyte présentant une stabilité électrochimique et une conductivité élevées. Il est couramment utilisé comme source Li-ion dans les électrolytes des batteries Li-ion comme alternative plus sûre à l'hexafluorophosphate de lithium couramment utilisé. Il est composé d'un cation Li et d'un anion bistriflimide. En raison de sa très grande solubilité dans l'eau (> 21 m), le LiTFSI a été utilisé comme sel de lithium dans les électrolytes eau-dans-sel pour les batteries lithium-ion aqueuses.

Le LiTFSI peut être obtenu par réaction de bis(trifluorométhylsulfonyl)imide et d'hydroxyde de lithium ou de carbonate de lithium en solution aqueuse, et l'anhydre peut être obtenu par séchage sous vide à 110 °C : LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

Le lithium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide peut être utilisé pour préparer des électrolytes pour batteries au lithium et comme nouveau catalyseur acide de Lewis dans les terres rares ; il est utilisé pour préparer des sels d'imidazolium chiraux par réaction de remplacement d'anions des trifluorométhanesulfonates correspondants. Ce produit est un important composé ionique organique contenant du fluor, qui est utilisé dans les batteries au lithium secondaires, les supercondensateurs Chemicalbook, les condensateurs électrolytiques en aluminium, les matériaux électrolytiques non aqueux hautes performances et comme nouveau catalyseur à haute efficacité. Ses utilisations de base sont les suivantes :

1. Batteries à lithium
2. Liquides ioniques
3. Antistatique
4. Médecine (beaucoup moins courante)

Cependant, un ingénieur R&D chinois a dit un jour : « Le LiTFSI est principalement utilisé comme additif dans les électrolytes actuels et ne sera pas utilisé seul comme sel principal. De plus, même s'il est utilisé comme additif, l'électrolyte formulé a de meilleures performances que les autres électrolytes. L'électrolyte LiTFSI est beaucoup plus cher que les types d'électrolytes habituels, donc le LiTFSI n'est pas ajouté, s'il n'y a pas d'exigences particulières sur les performances de l'électrolyte.

On pense que dans certains scénarios d'application, il existe des exigences substantielles pour les batteries haute puissance, des scénarios tels que les chariots élévateurs électriques et les AGV. En ce qui concerne la durabilité et les attributs des outils de production, il est également nécessaire de résoudre en même temps les problèmes de durée de vie et de performances à basse température. Par conséquent, la recherche et le développement sur les électrolytes de nouvelle génération se poursuivront. Mais c'est toujours une préoccupation multidimensionnelle et une compétition de performance, de coût et de sécurité ; et les marchés finiront par faire leurs propres choix.

Les références:

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