Catatan editor: Peneliti melaporkan terobosan elektrokimia densitas energi tinggi tegangan tinggi Baterai Lithium-ion yang ekonomis dan bebas logam (ramah lingkungan). Baterai lithium-ion organik 4-kelas V ini memiliki kapasitas teoretis tinggi dan tegangan tinggi, sementara bahan katoda dan elektrolit praktisnya masih belum dijelajahi.
Apakah Molekul Kecil Organik Aktif Redoks Berlaku untuk Katoda Baterai Lithium-Ion Tegangan Tinggi (>4 V)?
Oleh: Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Kazuyuki Iwase, Yoshiyuki Gambe, Itaru Honma | Diterbitkan pertama kali: 10 Maret 2022 di Advanced Science
4 Baterai Lithium-Ion Organik Kelas-V
Sementara baterai lithium-ion organik telah menarik perhatian besar karena kapasitas teoritisnya yang tinggi, bahan katoda organik bertegangan tinggi tetap belum dijelajahi. Dalam artikel nomor 2200187, Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Itaru Honma, dan rekan kerja melaporkan elektrokimia asam croconic pada tegangan tinggi. Penyelidikan teoritis dan eksperimental mengkonfirmasi dua enolat dalam asam croconic menunjukkan sekitar 4 V redoks, yang dapat digunakan untuk penyimpanan energi.
Abstrak
Sementara baterai organik telah menarik perhatian besar karena kapasitas teoretisnya yang tinggi, bahan aktif organik tegangan tinggi (> 4 V vs Li/Li+) tetap belum dijelajahi. Di sini, perhitungan teori fungsi kerapatan digabungkan dengan pengukuran voltametri siklik untuk menyelidiki elektrokimia asam krokonat (CA) untuk digunakan sebagai bahan katoda baterai lithium-ion dalam elektrolit dimetil sulfoksida dan -butirolakton (GBL). Perhitungan DFT menunjukkan bahwa garam dilitium CA (CA–Li2) memiliki dua gugus enolat yang mengalami reaksi redoks di atas 4,0 V dan kepadatan energi teoritis tingkat material 1949 Wh kg-1 untuk menyimpan empat ion litium dalam GBL—melebihi nilai keduanya anorganik konvensional dan bahan katoda organik yang dikenal. Pengukuran siklik-voltametri mengungkapkan reaksi redoks yang sangat reversibel oleh gugus enolat pada 4 V di kedua elektrolit. Tes kinerja baterai CA sebagai katoda baterai lithium-ion dalam GBL menunjukkan dua dataran tegangan pelepasan pada 3,9 dan 3,1 V, dan kapasitas pengosongan 102,2 mAh g-1 tanpa kehilangan kapasitas setelah lima siklus. Dengan tegangan pelepasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan molekul kecil organik mutakhir yang diketahui, CA menjanjikan untuk menjadi kandidat bahan katoda utama untuk baterai organik lithium-ion densitas energi tinggi di masa depan.
Pada tanggal 15 April, tim R&D dari Changzhou Liyuan New Energy Co membuat pengumuman di Nanjing bahwa perusahaan telah membuat terobosan teknologi pada bahan katoda LFP, yang secara signifikan meningkatkan kinerja LFP, serta tingkat pengisian, pada suhu rendah.
Sebuah EV yang ditenagai oleh baterai LFP konvensional memiliki kelemahannya sendiri yang jelas dari kecemasan jangkauan, yaitu, jangkauannya sering kali sekitar 50% dari kisaran NEDC / WLTP / EPA yang diklaimnya pada suhu rendah seperti -20℃.
Bahan LFP baru, "LFP-1", diklaim dikembangkan oleh lebih dari 20 ahli R&D dari Pusat Penelitian Shenzhen setelah lebih dari 2.000 percobaan berulang dalam delapan tahun dan tim R&D telah memenangkan 5 paten dengan bahan tersebut.
Performa terobosan "LFP-1" dilaporkan dapat dicapai dengan membangun saluran transportasi ion lithium berkecepatan tinggi di dalam bahan katoda bersama dengan teknologi "bola energi" yang canggih; dan fitur bahan:
Meningkatkan tingkat kapasitas pengosongan baterai LFP dari 55% menjadi 85% pada -20℃ derajat, dan dari hampir nol menjadi 57% pada -40℃ derajat.
Mencapai jangkauan 500 kilometer hanya dalam 15 menit pengisian cepat tingkat 4C. Sebagai perbandingan, EV yang ditenagai oleh baterai LFP konvensional biasanya membutuhkan pengisian cepat 40 menit untuk mencapai jangkauan sekitar 550 kilometer.
Pada tahun 2020, pelaku pasar EV dengan penuh semangat berspekulasi bahwa penurunan biaya baterai bertenaga lithium akan membawa pertumbuhan penjualan EV yang cepat di seluruh dunia, dan benar-benar terjadi.
Ketika datang ke kuartal pertama tahun 2022, kebanyakan dari kita tidak siap untuk menghadapi “Kegilaan Maret”, kata Mr. Jow Lowry dari Global Lithium LLC, tentang kenaikan harga lithium karbonat dan lithium hidroksida yang dramatis pada bulan Februari dan awal Berbaris. Namun dia merasa bahwa harga lithium yang tinggi tidak akan membuat kehancuran permintaan dari pasar EV. “Kami memiliki harga lithium yang tinggi karena kurangnya investasi yang menciptakan ketidakseimbangan pasokan-permintaan. Saya tidak percaya bahwa ini akan menghancurkan permintaan. Saya percaya itu, lebih tepatnya, itu akan meneruskan permintaan. Revolusi EV akan dibatasi dalam dekade ini oleh kurangnya pasokan lithium. Tidak ada pertanyaan tentang itu sekarang,” kata Mr. Jow Lowry.
Terlepas dari rekor harga lithium yang tinggi, banyak bahan baterai lainnya, seperti nikel, kobalt, dan aluminium, juga mengalami gelombang kenaikan harga historis pada Q1 tahun ini, yang mengakibatkan kenaikan biaya baterai yang berkelanjutan dan lebih dari 20 pengumuman OEM tentang EV mereka. kenaikan harga pada Maret 2022.
Jadi kemana tujuan baterai lithium? Beberapa ahli mengatakan bahwa baterai lithium akan digunakan untuk EV kelas menengah dan atas, elektronik konsumen, kendaraan laut listrik dan kendaraan udara, dll.
Bagaimana dengan entry-level EV dan penyimpanan energi? Akankah baterai kimia natrium menjadi pilihan lain bagi mereka? Ada banyak natrium dan sumber daya lainnya di bumi untuk baterai natrium, yang diyakini ekonomis dan ramah lingkungan. Apakah ada solusi baterai lain yang sangat skalabel? Mari kita tunggu dan lihat terobosan penelitian apa yang akan datang selanjutnya.
Penelitian yang ditujukan untuk baterai lithium-sulfur (Li/S 8 ) dan lithium-oksigen (Li/O 2 ) suhu kamar telah meningkat secara signifikan selama sepuluh tahun terakhir. Perlombaan untuk mengembangkan sistem sel semacam itu terutama dimotivasi oleh kepadatan energi teoretis yang sangat tinggi dan kelimpahan belerang dan oksigen. Kimia sel, bagaimanapun, adalah kompleks, dan kemajuan menuju pengembangan perangkat praktis tetap terhambat oleh beberapa masalah kunci mendasar, yang saat ini sedang ditangani oleh berbagai pendekatan.
Cukup mengejutkan, tidak banyak yang diketahui tentang sistem baterai analog berbasis natrium, meskipun baterai Na/S 8 dan Na/NiCl 2 suhu tinggi yang sudah dikomersialkan menunjukkan bahwa baterai isi ulang berbasis natrium layak untuk skala besar. Selain itu, kelimpahan alami natrium merupakan manfaat yang menarik untuk pengembangan baterai berdasarkan komponen berbiaya rendah.
Ulasan ini memberikan ringkasan pengetahuan mutakhir tentang baterai lithium-sulfur dan lithium-oksigen dan perbandingan langsung dengan sistem natrium analog. Sifat umum, manfaat dan tantangan utama, strategi terbaru untuk peningkatan kinerja dan pedoman umum untuk pengembangan lebih lanjut dirangkum dan dibahas secara kritis. Secara umum, substitusi lithium untuk natrium memiliki dampak yang kuat pada keseluruhan sifat reaksi sel dan perbedaan dalam transpor ion, stabilitas fase, potensial elektroda, kepadatan energi, dll. dapat diharapkan.
Apakah perbedaan ini akan menguntungkan kimia sel yang lebih reversibel masih menjadi pertanyaan terbuka, tetapi beberapa laporan pertama pada suhu kamar sel Na/S 8 dan Na/O 2 sudah menunjukkan beberapa perbedaan menarik dibandingkan dengan Li/S 8 dan Li / O 2 sistem.
Baterai lithium-ion (LIB) yang dapat diisi ulang dengan cepat menjadi bentuk penyimpanan energi terpenting untuk semua aplikasi seluler sejak komersialisasinya di awal 1990-an. Ini terutama karena kepadatan energinya yang tak tertandingi yang dengan mudah melampaui sistem baterai isi ulang lainnya seperti logam-hidrida atau timbal-asam. Namun, kebutuhan berkelanjutan untuk menyimpan listrik lebih aman, lebih kompak dan lebih terjangkau memerlukan penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan.
Kebutuhan akan penyimpanan energi stasioner yang murah menjadi tantangan tambahan yang juga memicu penelitian tentang baterai alternatif. Upaya besar diarahkan pada peningkatan berkelanjutan dari berbagai teknologi Li-ion dengan pengemasan yang lebih efisien, pemrosesan, elektrolit yang lebih baik, dan bahan elektroda yang dioptimalkan, misalnya. Meskipun kemajuan signifikan telah dicapai sehubungan dengan densitas daya selama beberapa tahun terakhir, peningkatan densitas energi (secara volumetrik dan gravimetri) relatif kecil. Perbandingan teknologi baterai yang berbeda sehubungan dengan kepadatan energinya ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1:Kerapatan energi teoritis dan (perkiraan) praktis dari baterai isi ulang yang berbeda: Pb–asam – asam timbal, NiMH – hidrida logam nikel, Na-ion – perkiraan berasal dari data untuk Li-ion dengan asumsi tegangan sel sedikit lebih rendah, Li- ion – rata-rata pada berbagai jenis, HT-Na/S 8 – baterai natrium-sulfur suhu tinggi, Li/S 8 dan Na/S 8 – baterai lithium-sulfur dan natrium-sulfur dengan asumsi Li 2 S dan Na2S sebagai produk pelepasan, Li / O 2 dan Na / O 2 - lithium-oksigen baterai (nilai teoritis termasuk berat oksigen dan bergantung pada stoikiometri dari produk debit diasumsikan, yaitu, oksida, peroksida atau superoksida). Perhatikan bahwa nilai kerapatan energi praktis dapat sangat bervariasi tergantung pada desain baterai (ukuran, daya tinggi, energi tinggi, sel tunggal atau baterai) dan status pengembangan. Semua nilai kerapatan energi praktis mengacu pada tingkat sel (kecuali Pb-asam, 12 V). Nilai untuk baterai Li/S 8 dan Li/O 2 diambil dari literatur (dikutip dalam teks utama) dan digunakan untuk memperkirakan densitas energi untuk sel Na/S 8 dan Na/O 2. Dari teknologi di atas, hanya teknologi asam timbal, NiMH, Li-ion dan Na/S 8 suhu tinggi yang telah dikomersialkan hingga saat ini.
Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) digunakan sebagai aditif elektrolit untuk meningkatkan kinerja siklus sel LiNi 0,5 Co 0,2 Mn 0,3 O 2 /grafit (NMC532) pada tegangan operasi yang lebih tinggi diselidiki.
Dengan penambahan 1,0 wt% LiBF4 ke dalam elektrolit, retensi kapasitas baterai lithium ion setelah 100 siklus sangat meningkat dari 29,2% menjadi 90,1% pada tegangan 3,0 V–4,5 V. Untuk memahami mekanisme peningkatan retensi kapasitas pada tegangan tinggi operasi tegangan, sifat termasuk kinerja sel, perilaku impedansi serta karakteristik sifat antarmuka elektroda diperiksa.
Ditemukan bahwa LiBF4 cenderung berpartisipasi dalam pembentukan film antarmuka pada kedua elektroda. Peningkatan kinerja sel dikaitkan dengan modifikasi komponen lapisan antarmuka pada anoda grafit dan katoda LiNi 0,5 Co 0,2 Mn 0,3 O 2 , yang mengarah pada penurunan impedansi antarmuka.
Sumber: Zuo, Xiaoxi & Fan, Chengjie & Liu, Jiansheng & Xiao, Xin & Wu, Junhua & Nan, Junmin. (2013). Lithium Tetrafluoroborate sebagai Aditif Elektrolit untuk Meningkatkan Kinerja Tegangan Tinggi Baterai Lithium-Ion. Jurnal Masyarakat Elektrokimia. 160. A1199-A1204. 10.1149/2.066308jes. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.066308jes
Lithium difluorophosphate (LiDFP, LFO) sangat membantu sebagai aditif elektrolit untuk meningkatkan kinerja siklus hidup baterai li-ion dan retensi kapasitas debit pada suhu tinggi, serta mengurangi self-discharge. Sementara natrium difluorofosfat memiliki kinerja serupa di sel baterai NMC532? Mari kita lihat makalah yang diterbitkan di Journal of The Electrochemical Society pada tahun 2020.
Kesimpulan: Tiga aditif elektrolit garam difluorofosfat baru disintesis dan dievaluasi dalam sel kantong NMC532/grafit. Amonium difluorofosfat (AFO) siap dibuat melalui reaksi benchtop amonium fluorida dan fosfor pentoksida yang hanya memerlukan pemanasan lembut untuk memulai. Hasil terbaik natrium difluorofosfat (NaFO) dalam penelitian ini diperoleh dengan mereaksikan asam difluorofosfat dan natrium karbonat dalam 1,2-diemetoksietana melalui saringan molekuler 3 , zat pengering yang sangat kuat. Tetramethylammonium difluorophosphate (MAFO) dibuat dari NaFO melalui pertukaran kation dengan tetramethylammonium chloride.
NaFO dilaporkan sebagai aditif elektrolit yang sangat baik, dengan kinerja serupa dalam sel NMC532/gr sebagai aditif lithium difluorophosphate (LFO) yang lebih dikenal, masing-masing menunjukkan retensi kapasitas pelepasan ~90% setelah lebih dari 1.500 siklus pada 40 °C. Stabilitas jangka panjang selama siklus antara 3,0–4,3 V lebih baik dibandingkan dengan, tetapi tetap saja kurang dari sel benchmark 2%VC 1% DTD yang dilaporkan oleh Harlow et al., yang memiliki retensi kapasitas 94% setelah 1.500 siklus. Sifat menguntungkan dari kedua aditif ini disebabkan oleh anion difluorofosfat. Sebaliknya, AFO dan MAFO ditemukan sebagai aditif elektrolit yang buruk. Hal ini diduga karena pembentukan lithium nitrida untuk yang pertama. Tidak diketahui mengapa kation tetrametilamonium memiliki efek negatif pada stabilitas sel.
Referensi:
Sintesis dan Evaluasi Aditif Elektrolit Garam Difluorofosfat untuk Baterai Lithium-Ion, Jurnal The Electrochemical Society, 2020 167 100538, David S. Hall, Toren Hynes, Connor P. Aiken dan JR Dahn
Akankah LiFSI menggantikan LiPF6 dalam elektrolit baterai Li-ion? Menggunakan garam lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) baru daripada lithium hexafluorophosphate (LiPF6) sebagai elektrolit meningkatkan kinerja baterai Li-ion dengan anoda silikon, menurut sebuah makalah yang diterbitkan dalam Journal of American Chemical Society oleh para peneliti di Eropa.
Litium bis(fluorosulfonil)imida, biasa disebut sebagai LiFSI, memiliki rumus molekul F2LiNO4S2 dan nomor CAS 171611-11-3. LiFSI tampak seperti bubuk putih, dengan berat molekul 187,07, dan titik leleh antara 124-128°C (255-262,4°F).
Dibandingkan dengan LiPF6, LiFSI tidak hanya meningkatkan stabilitas termal dalam teknologi baterai li-ion, tetapi juga memberikan kinerja yang lebih baik dalam hal konduktivitas listrik, masa pakai siklus, dan suhu rendah. Namun, LiFSI mungkin memiliki efek korosif tertentu pada aluminium foil. Beberapa makalah akademis menunjukkan bahwa korosi aluminium foil terutama berasal dari ion FSI di LiFSI, tetapi masalah ini dapat diselesaikan dengan aditif seperti aditif aluminium foil pasif yang mengandung fluor.
Trennya cukup pasti bahwa LiFSI menjadi salah satu garam lithium utama untuk elektrolit generasi berikutnya. Saat ini, baterai lithium ternary dan baterai LFP terus ditingkatkan dan diulang dari generasi ke generasi yang memiliki persyaratan lebih tinggi untuk kepadatan energi, kinerja suhu tinggi dan rendah, masa pakai siklus, dan kinerja tingkat pengisian dan pengosongan.
Karena kesulitan teknis yang tinggi dalam produksi massal dan biaya tinggi, LiFSI belum secara langsung digunakan sebagai garam litium terlarut, tetapi sebagai aditif yang dicampur dengan litium heksafluorofosfat (LiPF6) untuk digunakan dalam elektrolit baterai li-ion daya khususnya. Misalnya, LG Chem telah menggunakan LiFSI sebagai aditif dalam elektrolitnya selama beberapa waktu. Seiring dengan peningkatan teknologi, semakin banyak LiFSI akan ditambahkan ke elektrolit. Diyakini bahwa biaya LiFSI akan lebih rendah dengan peningkatan produksi massal. Dan seiring berjalannya waktu, LiFSI berpotensi menggantikan LiPF6 sebagai garam lithium utama untuk elektrolit baterai li-ion daya.
Lithium hexafluorophosphate (LiPF6) adalah bahan baku utama dalam teknologi saat ini, untuk elektrolit baterai lithium-ion dari baterai daya lithium-ion, baterai penyimpanan energi lithium-ion dan baterai li-ion elektronik konsumen lainnya. Seiring dengan booming industri EV, segmen baterai listrik li-ion mengkonsumsi porsi terbesar LiPF6 di pasar.
Sejak September 2020, penjualan kendaraan energi baru telah meningkat secara substansial, yang telah mendorong penjualan lithium hexafluorophosphate meningkat. Diperkirakan permintaan lithium hexafluorophosphate di segmen baterai listrik akan menjadi sekitar 66.000 ton pada tahun 2021 dan sekitar 238.000 ton pada tahun 2025, dengan tingkat pertumbuhan tahunan rata-rata sekitar 40%.
Menurut data dari Januari hingga September 2021, kapasitas akumulatif baterai LFP China dalam instalasi EV adalah sekitar 45,38GWh, dan kapasitas akumulatif baterai ternary sekitar 49,70GWh. Diharapkan total kapasitas tahunan baterai LFP dalam instalasi EV akan melebihi kapasitas terner pada tahun 2021, dengan tingkat pertumbuhan tahun-ke-tahun yang tinggi diharapkan.
Pada 18 Oktober, harga lithium hexafluorophosphate adalah 520.000 yuan/ton, dan telah meningkat hampir 500% pada tahun 2021 dengan harga di 107.000 yuan/ton hanya pada awal tahun ini, membuat rekor tertinggi baru sejak Juni 2017 Lithium hexafluorophosphate dan aditif elektrolit jelas menjadi salah satu bahan dengan tingkat pertumbuhan tertinggi tahun ini. Permintaan yang kuat di pasar diperkirakan akan terus berlanjut, dan saat ini pasokannya terbatas.
Mari kita lihat situasi penawaran-permintaan lithium karbonat untuk mengevaluasi tren harganya.
Lithium Carbonate (Li2CO3) Tingkat Baterai
Bidang tuntutan utama lithium karbonat tingkat baterai saat ini dari persiapan bahan katoda terner NMC, lithium kobalt oksida dan bagian dari lithium besi fosfat (LFP).
Pada tahun 2021, tingkat pertumbuhan keseluruhan NMC532 dan NMC622 rendah, dibandingkan dengan bahan terner kaya Ni dan LFP. Pada H2 tahun 2021, diperkirakan permintaan baterai lithium karbonat dari produksi bahan katoda terner NMC akan menjadi sekitar 48.470 ton, meningkat hanya 2,4% dari H2 sebelumnya tahun 2020.
Akibat dampak negatif dari pandemi ini, volume ekspor barang elektronik konsumen China telah menurun secara signifikan, dengan sedikit peningkatan di pasar domestiknya. Permintaan baterai lithium karbonat dari produsen lithium cobalt oxide telah menurun. Pada H2 tahun 2021 diperkirakan kebutuhan litium karbonat dari daerah ini sekitar 16.737 ton, turun 9,7% dari H2 tahun 2020.
Dalam hal permintaan dari bahan LFP, banyak pabrik bahan LFP tipe daya arus utama saat ini menggunakan lithium karbonat tingkat baterai sebagai sumber lithium utama mereka (menyumbang sekitar 30%) untuk memastikan kualitas baterai daya LFP untuk pasar EV. Di bawah ketidakseimbangan pasokan dan permintaan di pasar baterai LFP daya, perusahaan telah mulai memperluas sebagian besar kapasitas produksi mereka. Pada H2 2021, kebutuhan baterai lithium karbonat dari lapangan ini diperkirakan sekitar 14.788 ton, meningkat 30% dari H2 2020.
Litium Karbonat (Li2CO3) Kelas Industri
Area tuntutan utama lithium karbonat kelas industri adalah dari produksi kualitas rata-rata bahan LFP, lithium manganat, lithium hexafluorophosphate dan beberapa industri tradisional.
Dalam hal permintaan dari produksi material LFP, sejak H2 tahun 2020, penjualan model EV kelas A00 telah berkembang pesat di pasar China, menghasilkan permintaan yang tinggi akan baterai LFP daya kualitas rata-rata. Pada saat yang sama, beberapa model kelas menengah dan kelas atas, seperti Tesla Model Y dan Model 3, juga telah meluncurkan versi bertenaga LFP mereka sendiri. Selain itu, permintaan baterai LFP di pasar penyimpanan energi dan kendaraan roda dua juga meningkat. Saat ini permintaan karbonat lithium kelas industri (termasuk kelas baterai semu) dari produksi bahan LFP menyumbang sekitar 70%, dibandingkan dengan lithium karbonat kelas baterai. Pada H2 2021, permintaan lithium karbonat kelas industri dari lapangan ini diperkirakan sekitar 34.505 ton, meningkat 30% dari H2 2020.
Adapun permintaan dari produksi lithium manganate, karena lebih sedikit pesanan elektronik konsumen dan kendaraan roda dua di luar negeri, permintaan bahan katoda lithium manganate tidak kuat. Pada saat yang sama, karena harga garam lithium terus meningkat, produsen memiliki tekanan besar pada kenaikan biaya dan beberapa dari mereka mengurangi produksinya. Oleh karena itu, permintaan lithium karbonat kelas industri terus menyusut. Ada pengurangan output yang jelas dari bahan LMO awal tahun ini di Festival Musim Semi. Namun pada H2 2021, permintaan lithium karbonat tingkat industri dari lapangan ini diperkirakan sekitar 11.900 ton, sedikit meningkat 8% dari H2 2020 sebelumnya.
Berkenaan dengan permintaan dari persiapan lithium hexafluorophosphate, bersama dengan penjualan panas di pasar EV, output elektrolit domestik telah meningkat secara signifikan, dan permintaan lithium hexafluorophosphate (LiPF6) juga meningkat pesat. Pada H2 2021 diperkirakan kebutuhan litium karbonat industrial grade dari kawasan ini sekitar 11.236 ton, meningkat 40% dari H2 2020.
Permintaan yang tersisa untuk litium karbonat tingkat industri berasal dari produksi litium logam, litium hidroksida yang diproses dengan kaustik, dan obat-obatan, menyumbang sekitar 26% dari keseluruhan permintaannya, dengan sedikit peningkatan.
Kesimpulannya, permintaan keseluruhan untuk lithium karbonat terus meningkat pesat. Namun output keseluruhan lithium karbonat menyusut pada 2021 H2 karena penurunan pasokan spodumene, meskipun peningkatan pasokan dari sumber air asin domestik dan luar negeri. Harga untuk lithium karbonat kemungkinan besar akan meningkat jika perkiraan di atas benar.
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:
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.
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:
Baterai lithium
cairan ionik
Antistatik
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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
Poworks
Poworks adalah produsen profesional dan pemasok senyawa lithium.
