LiTFSI è la scelta migliore per migliorare le prestazioni a bassa temperatura nelle celle HEV?
| Jerry Huang
Generalmente si ritiene che maggiore è la proporzione di carbonio duro (superiore al 15%) è rivestita all'anodo di una batteria agli ioni di litio, migliore è la sua conduttività. Tuttavia, dobbiamo chiarire che la compattazione delle espansioni polari in puro carbonio duro è di circa 1,15 g/cc. Se viene rivestito più carbonio duro sul materiale di grafite, la densità di compattazione dell'intera espansione polare sarà ridotta (senza aumentare lo spazio tra gli strati di materiale del nucleo). Può raggiungere al massimo solo 1,2 g/cc. Allo stesso tempo, il carbonio duro potrebbe essere compattato e le prestazioni potrebbero non essere sfruttate appieno. Pertanto, è necessario scegliere un diverso rapporto di rivestimento in carbonio duro in base agli scenari applicativi.
È logico che il materiale dell'anodo sia solitamente sollecitato in modo non uniforme e irregolare. Maggiore è la dimensione delle particelle del materiale, maggiore è la resistenza interna. Pertanto, se viene utilizzato un rivestimento in carbonio duro, sebbene la durata del ciclo della batteria possa essere notevolmente estesa, la sua durata del calendario è relativamente scarsa (la capacità delle celle della batteria si riduce notevolmente entro 6 mesi di stoccaggio).
LiTFSI è la scelta migliore per migliorare le prestazioni a bassa temperatura nelle celle HEV?
Ovviamente, il materiale anodico rivestito in carbonio duro non è sufficiente per risolvere i punti dolenti delle scarse prestazioni a bassa temperatura; alcuni altri materiali devono essere migliorati, come gli elettroliti. Gli elettroliti sono una parte importante delle batterie agli ioni di litio e non solo determinano la velocità di migrazione degli ioni di litio Li+ nella fase liquida, ma svolgono anche un ruolo chiave nella formazione del film SEI. Allo stesso tempo, gli elettroliti esistenti hanno una costante dielettrica più bassa, in modo che gli ioni di litio possano attrarre più molecole di solvente e rilasciarle durante la desolvatazione, causando maggiori variazioni di entropia del sistema e coefficienti di temperatura più elevati (TC). Pertanto, è importante trovare un metodo di modifica che abbia una variazione di entropia minore durante la desolvatazione, un coefficiente di temperatura inferiore e sia meno influenzato dalla concentrazione dell'elettrolita. Attualmente, ci sono due modi per migliorare le prestazioni a bassa temperatura attraverso gli elettroliti:
- Migliora la conduttività a bassa temperatura degli elettroliti ottimizzando la composizione del solvente. La prestazione a bassa temperatura degli elettroliti è determinata dal punto eutettico a bassa temperatura. Se il punto di fusione è troppo alto, è probabile che l'elettrolita si cristallizzi a basse temperature, il che influirà seriamente sulla conduttività degli elettroliti e alla fine porterà al guasto della batteria al litio. Il carbonato di etilene EC è un importante componente solvente dell'elettrolita. Il suo punto di fusione è di 36°C. A basse temperature, la sua solubilità rischia di diminuire e anche i cristalli sono precipitati negli elettroliti. Aggiungendo componenti a basso punto di fusione e a bassa viscosità per diluire e ridurre il contenuto di EC del solvente, la viscosità e il punto eutettico dell'elettrolita possono essere efficacemente ridotti a basse temperature e la conduttività degli elettroliti può essere migliorata. Inoltre, studi nazionali e internazionali hanno anche dimostrato che l'uso di acido carbossilico a catena, acetato di etile, propionato di etile, acetato di metile e butirrato di metile come co-solvente elettrolitico è vantaggioso per il miglioramento della conduttività a bassa temperatura degli elettroliti e migliora notevolmente le prestazioni a bassa temperatura della batteria. In questo settore sono stati compiuti progressi significativi.
- L'utilizzo di nuovi additivi per migliorare le proprietà del film SEI lo rende favorevole alla conduzione degli ioni di litio a basse temperature. Il sale elettrolitico è uno dei componenti importanti degli elettroliti ed è anche un fattore chiave per ottenere eccellenti prestazioni a bassa temperatura. Dal 2021, il sale elettrolitico utilizzato su larga scala è l'esafluorofosfato di litio. Il film SEI che si forma facilmente dopo l'invecchiamento ha una grande impedenza, con conseguenti scarse prestazioni a bassa temperatura. Pertanto, lo sviluppo di un nuovo tipo di sale di litio diventa urgente. Il tetrafluoroborato di litio e il borato di difluoroossalato di litio (LiODFB), come sali di litio per l'elettrolita, hanno anche portato un'elevata conduttività ad alte e basse temperature, in modo che la batteria agli ioni di litio mostri eccellenti prestazioni elettrochimiche in un ampio intervallo di temperature.
Come nuovo tipo di sale di litio non acquoso, LiTFSI ha un'elevata stabilità termica, un piccolo grado di associazione di anione e catione e un'elevata solubilità e dissociazione nei sistemi carbonati. A basse temperature, l'elevata conduttività e la bassa resistenza al trasferimento di carica dell'elettrolita del sistema LiFSI ne garantiscono le prestazioni a bassa temperatura. Mandal et al. ha utilizzato LiTFSI come sale di litio e EC/DMC/EMC/pC (rapporto di massa 15:37:38:10) come solvente di base per l'elettrolita; e il risultato ha mostrato che l'elettrolita ha ancora un'elevata conduttività di 2 mScm-1 a -40°C. Pertanto, LiTFSI è considerato l'elettrolita più promettente in grado di sostituire l'esafluorofosfato di litio ed è anche considerato un'alternativa per il passaggio a un'era di elettroliti solidi.
Secondo Wikipedia, il litio bis(trifluorometansolfonil)immide, spesso indicato semplicemente come LiTFSI, è un sale idrofilo con la formula chimica LiC2F6NO4S2. LiTFSI è un cristallo bianco o una polvere che può essere utilizzata come sale di litio elettrolita organico per batterie agli ioni di litio, il che rende l'elettrolita che mostra un'elevata stabilità elettrochimica e conduttività. È comunemente usato come fonte di ioni di litio negli elettroliti per batterie agli ioni di litio come alternativa più sicura all'esafluorofosfato di litio comunemente usato. È costituito da un catione Li e da un anione bistriflimide. A causa della sua altissima solubilità in acqua (> 21 m), LiTFSI è stato utilizzato come sale di litio negli elettroliti acqua-in-sale per batterie acquose agli ioni di litio.
LiTFSI può essere ottenuto dalla reazione di bis(trifluorometilsulfonil)immide e idrossido di litio o carbonato di litio in una soluzione acquosa e l'anidro può essere ottenuto mediante essiccamento sotto vuoto a 110 ° C: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O
Il litio bis(trifluorometilsulfonil)immide può essere utilizzato per preparare elettroliti per batterie al litio e come nuovo catalizzatore acido di Lewis in terre rare; viene utilizzato per preparare sali di imidazolo chirali mediante reazione di sostituzione anionica dei corrispondenti trifluorometansolfonati. Questo prodotto è un importante composto di ioni organici contenenti fluoro, che viene utilizzato in batterie al litio secondarie, Supercondensatore Chemicalbook, condensatori elettrolitici in alluminio, materiali elettrolitici non acquosi ad alte prestazioni e come nuovo catalizzatore ad alta efficienza. I suoi usi di base sono i seguenti:
- Batterie al litio
- Liquidi ionici
- Antistatico
- Medicina (molto meno comune)
Tuttavia, un ingegnere di ricerca e sviluppo cinese ha affermato una volta: "LiTFSI viene utilizzato principalmente come additivo negli attuali elettroliti e non verrà utilizzato da solo come sale principale. Inoltre, anche se utilizzato come additivo, l'elettrolita formulato ha prestazioni migliori rispetto ad altri elettroliti. LiTFSI Electrolyte è molto più costoso dei normali tipi di elettroliti, quindi LiTFSI non viene aggiunto, se non ci sono requisiti speciali sulle prestazioni dell'elettrolita."
Si ritiene che in alcuni scenari applicativi vi siano requisiti sostanziali per batterie ad alta potenza, scenari come carrelli elevatori elettrici e AGV. Per quanto riguarda la durata e gli attributi degli strumenti di produzione, è anche necessario risolvere contemporaneamente i problemi della durata del ciclo e delle prestazioni a bassa temperatura. Pertanto, la ricerca e lo sviluppo sugli elettroliti di nuova generazione continueranno. Ma è ancora una preoccupazione multidimensionale e una competizione di prestazioni, costi e sicurezza; e i mercati alla fine faranno le proprie scelte.
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