LiTFSIはHEVセルの低温性能を改善するための最良の選択ですか？

2021-10-11 | Jerry Huang

一般に、リチウムイオン電池のアノードにコーティングされるハードカーボンの割合が高いほど（15％以上）、その導電性は高くなると考えられています。ただし、純粋なハードカーボンポールピースの圧縮は約1.15 g / ccであることを明確にする必要があります。より多くのハードカーボンがグラファイト材料にコーティングされると、ポールピース全体の圧縮密度が低下します（コア材料層間のスペースを増やすことなく）。それはせいぜい1.2g / ccしか達成できません。同時に、ハードカーボンが圧縮され、性能が十分に活用されない可能性があります。したがって、アプリケーションのシナリオに応じて、ハードカーボンコーティングの比率を変える必要があります。

アノード材料は通常、不均一な応力がかかり、不規則であることが常識です。材料の粒子サイズが大きいほど、内部抵抗が大きくなります。したがって、ハードカーボンコーティングを使用すると、バッテリーのサイクル寿命を大幅に延ばすことができますが、カレンダーの寿命は比較的短くなります（バッテリーセルの容量は6か月の保管で大幅に減少します）。

LiTFSIはHEVセルの低温性能を改善するための最良の選択ですか？

明らかに、ハードカーボンでコーティングされたアノード材料は、低温での性能低下の問題点を解決するのに十分ではありません。電解質など、他のいくつかの材料を改善する必要があります。電解質はリチウムイオン電池の重要な部分であり、液相でのLi +リチウムイオンの移動速度を決定するだけでなく、SEI膜の形成にも重要な役割を果たします。同時に、既存の電解質は誘電率が低いため、リチウムイオンはより多くの溶媒分子を引き付け、脱溶媒和中にそれらを放出し、システムエントロピーの変化を大きくし、温度係数（TC）を高くします。したがって、脱溶媒和中のエントロピー変化が小さく、温度係数が低く、電解質濃度の影響を受けにくい修飾方法を見つけることが重要です。現在、電解質を介して低温性能を改善する方法は2つあります。

1. 溶媒の組成を最適化することにより、電解質の低温伝導率を向上させます。電解質の低温性能は、低温共晶点によって決まります。融点が高すぎると、電解液が低温で結晶化する可能性があり、電解液の導電性に深刻な影響を及ぼし、最終的にリチウム電池の故障につながります。 ECエチレンカーボネートは、電解質の重要な溶媒成分です。その融点は36°Cです。低温では、その溶解度が低下する可能性があり、結晶でさえ電解質に沈殿します。低融点・低粘度の成分を添加して溶媒のEC含有量を希釈・低減することにより、低温時の電解質の粘度や共晶点を効果的に低減し、電解質の導電性を向上させることができます。さらに、国内および海外の研究では、電解質共溶媒として鎖状カルボン酸、酢酸エチル、プロピオン酸エチル、酢酸メチル、および酪酸メチルを使用することが、電解質の低温伝導率の改善に有益であることが示されています。バッテリーの低温性能を大幅に向上させます。この分野では大きな進歩が見られました。
2. SEIフィルムの特性を改善するために新しい添加剤を使用すると、低温でのリチウムイオンの伝導が促進されます。電解質塩は電解質の重要な成分の1つであり、優れた低温性能を得るための重要な要素でもあります。 2021年以降、大規模に使用されている電解質塩はヘキサフルオロリン酸リチウムです。エージング後に容易に形成されるSEI膜はインピーダンスが大きく、低温性能が低下します。そのため、新しいタイプのリチウム塩の開発が急務となっています。電解質用リチウム塩としての四フッ化ホウ酸リチウムおよびホウ酸ジフルオロシュウ酸リチウム（LiODFB）も高温および低温下で高い導電性をもたらし、リチウムイオン電池は広い温度範囲で優れた電気化学的性能を発揮します。

新しいタイプの非水性リチウム塩として、LiTFSIは高い熱安定性、陰イオンと陽イオンの結合度が低く、炭酸塩系での溶解度と解離度が高い。低温では、LiFSIシステム電解質の高い導電率と低い電荷移動抵抗により、低温性能が保証されます。 Mandal etAl。リチウム塩としてLiTFSIを使用し、電解質の基本溶媒としてEC / DMC / EMC / pC（質量比15：37：38：10）を使用しました。その結果、電解質は-40°Cで2mScm-1の高い導電率を維持していることがわかりました。したがって、LiTFSIは、ヘキサフルオロリン酸リチウムに取って代わることができる最も有望な電解質と見なされており、固体電解質の時代への移行の代替手段とも見なされています。

ウィキペディアによると、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドは、しばしば単にLiTFSIと呼ばれ、化学式LiC2F6NO4S2の親水性塩です。 LiTFSIは、リチウムイオン電池の有機電解質リチウム塩として使用できる白色の結晶または粉末であり、電解質に高い電気化学的安定性と導電性を示します。これは、一般的に使用されるヘキサフルオロリン酸リチウムのより安全な代替品として、Liイオン電池の電解質のLiイオン源として一般的に使用されます。これは、1つのLiカチオンとビストリフリミドアニオンで構成されています。 LiTFSIは、水への溶解度が非常に高い（> 21 m）ため、水系リチウムイオン電池の塩中水電解質のリチウム塩として使用されてきました。

LiTFSIは、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドと水酸化リチウムまたは炭酸リチウムを水溶液中で反応させることで得られ、無水物は110°Cで真空乾燥することで得られます：LiOH + HNTf2→LiNTf2 + H2O

リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドは、リチウム電池用の電解質の調製や、希土類の新しいルイス酸触媒として使用できます。対応するトリフルオロメタンスルホネートのアニオン置換反応によりキラルイミダゾリウム塩を調製するために使用されます。この製品は重要なフッ素含有有機イオン化合物であり、二次リチウム電池、スーパーキャパシターケミカルブック、アルミニウム電解コンデンサー、高性能非水電解質材料、および新しい高効率触媒として使用されています。その基本的な用途は次のとおりです。

1. リチウム電池
2. イオン液体
3. 帯電防止
4. 医学（あまり一般的ではありません）

しかし、中国の研究開発エンジニアはかつて次のように述べています。「LiTFSIは主に現在の電解質の添加剤として使用されており、主な塩としてのみ使用されることはありません。また、添加剤として使用しても、配合された電解質は他の電解質よりも優れた性能を発揮します。 LiTFSI電解質は通常のタイプの電解質よりもはるかに高価であるため、電解質の性能に特別な要件がない場合、LiTFSIは追加されません。」

一部のアプリケーションシナリオでは、高出力バッテリー、電気フォークリフトやAGVなどのシナリオにかなりの要件があると考えられています。生産工具の耐久性や特性への配慮として、サイクル寿命や低温性能の問題も一度に解決する必要があります。そのため、次世代電解質の研究開発を継続していきます。しかし、それは依然として多面的な懸念であり、パフォーマンス、コスト、および安全性の競争です。そして市場は最終的には独自の選択をするでしょう。

参照：

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