Apakah LiTFSI pilihan terbaik untuk meningkatkan kinerja suhu rendah di sel HEV?

2021-10-11 | Jerry Huang

Umumnya diyakini bahwa semakin tinggi proporsi karbon keras (di atas 15%) yang dilapisi ke anoda baterai li-ion, semakin baik konduktivitasnya. Namun, kita harus menjelaskan bahwa pemadatan potongan tiang karbon keras murni adalah sekitar 1,15 g/cc. Jika lebih banyak karbon keras yang dilapisi ke bahan grafit, kepadatan pemadatan seluruh potongan tiang akan berkurang (tanpa menambah ruang antara lapisan bahan inti). Paling banyak hanya bisa mencapai 1.2g/cc. Pada saat yang sama, karbon keras mungkin dipadatkan dan kinerjanya mungkin tidak dimanfaatkan sepenuhnya. Oleh karena itu, perlu untuk memilih rasio lapisan karbon keras yang berbeda sesuai dengan skenario aplikasi.

Hal ini wajar bahwa bahan anoda biasanya tidak merata stres dan tidak teratur. Semakin besar ukuran partikel material, semakin besar resistansi internal. Oleh karena itu, jika lapisan karbon keras digunakan, meskipun masa pakai baterai dapat diperpanjang secara signifikan, masa pakai kalendernya relatif buruk (kapasitas sel baterai sangat berkurang dalam penyimpanan 6 bulan).

Apakah LiTFSI pilihan terbaik untuk meningkatkan kinerja suhu rendah di sel HEV?

Jelas, bahan anoda berlapis karbon keras tidak cukup untuk mengatasi titik sakit dari kinerja yang buruk pada suhu rendah; beberapa bahan lain harus ditingkatkan, seperti elektrolit. Elektrolit adalah bagian penting dari baterai lithium-ion, dan mereka tidak hanya menentukan laju migrasi ion lithium Li+ dalam fase cair, tetapi juga memainkan peran kunci dalam pembentukan film SEI. Pada saat yang sama, elektrolit yang ada memiliki konstanta dielektrik yang lebih rendah, sehingga ion litium dapat menarik lebih banyak molekul pelarut dan melepaskannya selama desolvasi, menyebabkan perubahan entropi sistem yang lebih besar dan koefisien suhu yang lebih tinggi (TC). Oleh karena itu, penting untuk menemukan metode modifikasi yang memiliki perubahan entropi yang lebih kecil selama desolvasi, koefisien suhu yang lebih rendah, dan kurang dipengaruhi oleh konsentrasi elektrolit. Saat ini, ada dua cara untuk meningkatkan kinerja suhu rendah melalui elektrolit:

1. Meningkatkan konduktivitas suhu rendah elektrolit dengan mengoptimalkan komposisi pelarut. Kinerja suhu rendah elektrolit ditentukan oleh titik eutektik suhu rendah. Jika titik leleh terlalu tinggi, elektrolit kemungkinan akan mengkristal pada suhu rendah, yang akan sangat mempengaruhi konduktivitas elektrolit dan pada akhirnya menyebabkan kegagalan baterai lithium. EC etilen karbonat adalah komponen pelarut penting dari elektrolit. Titik lelehnya adalah 36°C. Pada suhu rendah, kelarutannya cenderung menurun dan bahkan kristal diendapkan dalam elektrolit. Dengan menambahkan komponen leleh rendah dan viskositas rendah untuk mengencerkan dan mengurangi kandungan EC pelarut, viskositas dan titik eutektik elektrolit dapat dikurangi secara efektif pada suhu rendah, dan konduktivitas elektrolit dapat ditingkatkan. Selain itu, penelitian di dalam dan luar negeri juga menunjukkan bahwa penggunaan asam karboksilat rantai, etil asetat, etil propionat, metil asetat, dan metil butirat sebagai ko-pelarut elektrolit bermanfaat untuk peningkatan konduktivitas elektrolit suhu rendah dan sangat meningkatkan kinerja suhu rendah baterai. Kemajuan signifikan telah dibuat di bidang ini.
2. Penggunaan aditif baru untuk meningkatkan sifat film SEI membuatnya kondusif untuk konduksi ion lithium pada suhu rendah. Garam elektrolit adalah salah satu komponen penting dari elektrolit, dan juga merupakan faktor kunci untuk mendapatkan kinerja suhu rendah yang sangat baik. Sejak tahun 2021, garam elektrolit yang digunakan dalam skala besar adalah lithium hexafluorophosphate. Film SEI yang mudah dibentuk setelah penuaan memiliki impedansi yang besar, menghasilkan kinerja suhu rendah yang buruk. Oleh karena itu, pengembangan garam lithium jenis baru menjadi mendesak. Lithium tetrafluoroborate dan lithium difluorooxalate borate (LiODFB), sebagai garam lithium untuk elektrolit, juga membawa konduktivitas tinggi di bawah suhu tinggi dan rendah, sehingga baterai lithium ion menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik dalam rentang suhu yang luas.

Sebagai jenis baru garam litium non-air, LiTFSI memiliki stabilitas termal yang tinggi, tingkat asosiasi anion dan kation yang kecil, serta kelarutan dan disosiasi yang tinggi dalam sistem karbonat. Pada suhu rendah, konduktivitas tinggi dan resistansi transfer muatan rendah dari elektrolit sistem LiFSI memastikan kinerja suhu rendah. Mandal dkk. telah menggunakan LiTFSI sebagai garam litium dan EC/DMC/EMC/pC (rasio massa 15:37:38:10) sebagai pelarut dasar elektrolit; dan hasilnya menunjukkan bahwa elektrolit masih memiliki konduktivitas yang tinggi yaitu 2mScm-1 pada suhu -40°C. Oleh karena itu, LiTFSI dianggap sebagai elektrolit paling menjanjikan yang dapat menggantikan lithium hexafluorophosphate, dan juga dianggap sebagai alternatif transisi ke era elektrolit padat.

Menurut Wikipedia, Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, sering disebut sebagai LiTFSI, adalah garam hidrofilik dengan rumus kimia LiC2F6NO4S2. LiTFSI adalah kristal atau bubuk putih yang dapat digunakan sebagai garam lithium elektrolit organik untuk baterai lithium-ion, yang membuat elektrolit menunjukkan stabilitas dan konduktivitas elektrokimia yang tinggi. Biasanya digunakan sebagai sumber Li-ion dalam elektrolit untuk baterai Li-ion sebagai alternatif yang lebih aman daripada lithium heksafluorofosfat yang umum digunakan. Ini terdiri dari satu kation Li dan anion bistriflimida. Karena kelarutannya yang sangat tinggi dalam air (> 21 m), LiTFSI telah digunakan sebagai garam litium dalam elektrolit air dalam garam untuk baterai litium-ion berair.

LiTFSI dapat diperoleh dengan reaksi bis(trifluoromethylsulfonyl)imide dan litium hidroksida atau litium karbonat dalam larutan berair, dan anhidrat dapat diperoleh dengan pengeringan vakum pada 110 °C: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

Litium bis(trifluorometilsulfonil)imida dapat digunakan untuk menyiapkan elektrolit untuk baterai litium dan sebagai katalis asam Lewis baru di tanah jarang; ini digunakan untuk membuat garam imidazolium kiral dengan reaksi penggantian anion dari trifluorometanasulfonat yang sesuai. Produk ini merupakan senyawa ion organik penting yang mengandung fluor, yang digunakan dalam baterai lithium sekunder, Buku Kimia kapasitor super, kapasitor elektrolit aluminium, bahan elektrolit non-air berkinerja tinggi dan sebagai katalis efisiensi tinggi baru. Kegunaan dasarnya adalah sebagai berikut:

1. Baterai lithium
2. cairan ionik
3. Antistatik
4. Obat-obatan (jauh lebih jarang)

Namun, seorang insinyur R&D dari China pernah berkata: “LiTFSI terutama digunakan sebagai aditif dalam elektrolit saat ini dan tidak akan digunakan sebagai garam utama saja. Selain itu, meskipun digunakan sebagai aditif, elektrolit yang diformulasikan memiliki kinerja yang lebih baik daripada elektrolit lainnya. Elektrolit LiTFSI jauh lebih mahal daripada jenis elektrolit biasa, jadi LiTFSI tidak ditambahkan, jika tidak ada persyaratan khusus pada kinerja elektrolit."

Diyakini bahwa dalam beberapa skenario aplikasi, ada persyaratan substansial untuk baterai berdaya tinggi, skenario seperti forklift listrik dan AGV. Sebagai perhatian pada daya tahan dan atribut alat produksi, juga perlu untuk memecahkan masalah siklus hidup dan kinerja suhu rendah pada satu waktu. Oleh karena itu, penelitian dan pengembangan elektrolit generasi berikutnya akan terus dilakukan. Tapi itu masih menjadi perhatian multi-dimensi dan persaingan kinerja, biaya, dan keamanan; dan pasar pada akhirnya akan membuat pilihan mereka sendiri.

Referensi:

1. Zheng, Honghe; Qu, Qunting; Zhang, Li; Liu, Gao; Battaglia, Vincent (2012). "Karbon keras: anoda baterai lithium-ion yang menjanjikan untuk aplikasi suhu tinggi dengan elektrolit ionik". Kemajuan RSC. Royal Society of Kimia. (11): 4904–4912. doi:10.1039/C2RA20536J. Diakses pada 15-08-2020.
2. Kamiyama, Azusa; Kubota, Kei; Nakano, Takeshi; Fujimura, Shun; Shiraishi, Soshi; Tsukada, Hidehiko; Komaba, Shinichi (27-01-2020). "Karbon Keras Berkapasitas Tinggi Disintesis dari Resin Fenolik Makropori untuk Baterai Natrium-Ion dan Kalium-Ion". Bahan Energi Terapan ACS. Masyarakat Kimia Amerika. 3: 135-140. doi:10.1021/acsaem.9b01972.
3. Khosravi, Mohsen; Bashirpour, Neda; Nematpour, Fatemeh (2013-11-01). "Sintesis Karbon Keras Sebagai Bahan Anoda untuk Baterai Lithium Ion". Penelitian Material Tingkat Lanjut. 829: 922–926. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.829.922. S2CID 95359308. Diakses 15-08-2020.
4. Goriparti, Subrahmanyam; Miele, Ermanno; De Angelis, Francesco; Di Fabrizio, Enzo; Proietti Zaccaria, Remo; Capiglia, Claudio (2014). "Tinjauan kemajuan terbaru dari bahan anoda berstrukturnano untuk baterai Li-ion". Jurnal Sumber Daya. 257: 421–443. Bibcode:2014JPS...257.421G. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.11.103.
5. Irsari, E; Ponrouch, A; Palacin, MR (2015). "Ulasan-Bahan Elektroda Negatif Karbon Keras untuk Baterai Natrium-Ion". Jurnal Masyarakat Elektrokimia. 162: A2476. doi:10.1149/2.0091514jes.
6. Dou, Xinwei; Hasa, Ivana; Saurel, Damien; Vaalma, Christoph; Wu, Pengapuran; Buchholz, Daniel; Bresser, Dominikus; Komaba, Shinichi; Passerini, Stefano (2019). "Karbon keras untuk baterai natrium-ion: Struktur, analisis, keberlanjutan, dan elektrokimia". Bahan Hari Ini. 23: 87-104. doi:10.1016/j.mattod.2018.12.040