LiTFSI가 HEV 셀의 저온 성능을 향상시키는 최선의 선택입니까?

2021-10-11 | Jerry Huang

일반적으로 리튬 이온 배터리의 양극에 코팅된 하드 카본의 비율(15% 이상)이 높을수록 전도성이 더 좋은 것으로 여겨집니다. 그러나 순수한 경질 탄소 극 조각의 압축은 약 1.15g/cc라는 점을 분명히 해야 합니다. 더 많은 하드 카본이 흑연 재료에 코팅되면 전체 폴 피스의 압축 밀도가 감소합니다(코어 재료 층 사이의 공간 증가 없이). 최대 1.2g/cc만 달성할 수 있습니다. 동시에, 하드 카본이 압축되어 성능이 충분히 활용되지 않을 수 있습니다. 따라서 적용 시나리오에 따라 다른 비율의 하드 카본 코팅을 선택해야 합니다.

양극 물질은 일반적으로 고르지 않고 불규칙한 응력을 받는 것이 상식입니다. 재료의 입자 크기가 클수록 내부 저항이 커집니다. 따라서 하드 카본 코팅을 사용하면 배터리 사이클 수명을 크게 연장할 수 있지만 캘린더 수명은 상대적으로 열악합니다(배터리 셀 용량은 6개월 보관 내에서 크게 감소).

LiTFSI가 HEV 셀의 저온 성능을 개선하는 최선의 선택입니까?

분명히 경질 탄소 코팅된 양극 재료는 저온에서 열악한 성능의 문제점을 해결하기에 충분하지 않습니다. 전해질과 같은 일부 다른 재료는 개선되어야 합니다. 전해질은 리튬 이온 배터리의 중요한 부분으로, 액상에서 Li+ 리튬 이온의 이동 속도를 결정할 뿐만 아니라 SEI 필름 형성에 중요한 역할을 합니다. 동시에 기존 전해질은 유전 상수가 낮아 리튬 이온이 더 많은 용매 분자를 끌어당겨 탈용매화 중에 방출할 수 있어 시스템 엔트로피 변화가 커지고 온도 계수(TC)가 높아집니다. 따라서 탈용매시 엔트로피 변화가 적고 온도계수가 낮으며 전해질 농도의 영향을 덜 받는 개질법을 찾는 것이 중요하다. 현재 전해질을 통해 저온 성능을 향상시키는 두 가지 방법이 있습니다.

1. 용매 조성을 최적화하여 전해질의 저온 전도도를 향상시킵니다. 전해질의 저온 성능은 저온 공정점에 의해 결정됩니다. 녹는점이 너무 높으면 전해질이 저온에서 결정화되어 전해질의 전도도에 심각한 영향을 미치고 궁극적으로 리튬 배터리의 고장으로 이어집니다. EC 에틸렌 카보네이트는 전해질의 중요한 용매 성분입니다. 융점은 36°C입니다. 저온에서는 용해도가 감소하기 쉽고 전해질에 결정이 석출됩니다. 저융점 및 저점도 성분을 첨가하여 용매의 EC 함량을 희석 및 감소시킴으로써 저온에서 전해질의 점도 및 공융점을 효과적으로 감소시킬 수 있고 전해질의 전도성을 개선할 수 있다. 또한, 국내외 연구에서도 사슬형 카르복실산, 에틸 아세테이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트 및 메틸 부티레이트를 전해질 공용매로 사용하는 것이 전해질의 저온 전도성 및 배터리의 저온 성능을 크게 향상시킵니다. 이 분야에서 상당한 진전이 있었습니다.
2. SEI 필름의 특성을 개선하기 위한 새로운 첨가제의 사용은 저온에서 리튬 이온의 전도에 도움이 됩니다. 전해질 염은 전해질의 중요한 구성 요소 중 하나이며 우수한 저온 성능을 얻기 위한 핵심 요소이기도 합니다. 2021년부터 대규모로 사용되는 전해질염은 육불화인산리튬이다. 노화 후 쉽게 형성되는 SEI 필름은 임피던스가 커서 저온 성능이 좋지 않습니다. 따라서 새로운 형태의 리튬염 개발이 시급하다. 리튬 테트라플루오로보레이트(Lithium tetrafluoroborate) 및 리튬 디플루오로옥살레이트 보레이트(LiODFB)도 전해질용 리튬염으로 고온 및 저온에서 높은 전도도를 가져오므로 리튬 이온 배터리는 넓은 온도 범위에서 우수한 전기화학적 성능을 발휘합니다.

새로운 유형의 비수성 리튬 염으로서 LiTFSI는 높은 열적 안정성, 음이온과 양이온의 작은 결합 정도, 탄산염 시스템에서 높은 용해도 및 해리도를 가지고 있습니다. 저온에서 LiFSI 시스템 전해질의 높은 전도성과 낮은 전하 이동 저항은 저온 성능을 보장합니다. Mandal et Al. LiTFSI를 리튬염으로 사용하고 EC/DMC/EMC/pC(질량비 15:37:38:10)를 전해질의 기본 용매로 사용했습니다. 결과는 전해질이 -40°C에서 여전히 2mScm-1의 높은 전도도를 가지고 있음을 보여주었습니다. 따라서 LiTFSI는 육불화인산리튬을 대체할 수 있는 가장 유망한 전해질로 평가되고 있으며, 또한 고체 전해질 시대로의 이행을 위한 대안으로 여겨지고 있다.

Wikipedia에 따르면 Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide(종종 단순히 LiTFSI라고도 함)는 화학식 LiC2F6NO4S2의 친수성 염입니다. LiTFSI는 리튬 이온 전지의 유기 전해질 리튬염으로 사용할 수 있는 백색 결정 또는 분말로 높은 전기화학적 안정성과 전도성을 나타내는 전해질을 만듭니다. 일반적으로 사용되는 리튬 헥사플루오로포스페이트에 대한 보다 안전한 대안으로 리튬 이온 배터리의 전해질에서 리튬 이온 소스로 일반적으로 사용됩니다. 그것은 하나의 Li 양이온과 비스트리프리미드 음이온으로 구성됩니다. 물에 대한 용해도가 매우 높기 때문에(> 21m), LiTFSI는 수성 리튬 이온 배터리용 염수 전해질에서 리튬 염으로 사용되었습니다.

LiTFSI는 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide와 수산화리튬 또는 탄산리튬을 수용액에서 반응시켜 얻을 수 있고, 무수물은 110℃에서 진공건조하여 얻을 수 있다: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드는 리튬 배터리용 전해질을 제조하고 희토류의 새로운 루이스 산 촉매로 사용할 수 있습니다. 상응하는 트리플루오로메탄설포네이트의 음이온 대체 반응에 의해 키랄 이미다졸륨 염을 제조하는 데 사용됩니다. 본 제품은 중요한 불소함유 유기이온화합물로 리튬이차전지, 슈퍼커패시터 케미칼북, 알루미늄 전해콘덴서, 고성능 비수전해액 소재 및 고효율 신촉매로 사용됩니다. 기본 용도는 다음과 같습니다.

1. 리튬 배터리
2. 이온성 액체
3. 정전기 방지
4. 의학(훨씬 덜 일반적)

그러나 중국의 R&D 엔지니어는 “LiTFSI는 주로 현재 전해질의 첨가제로 사용되며 주요 염으로 단독으로 사용되지는 않을 것입니다. 또한, 첨가제로 사용하더라도 제형화된 전해질은 다른 전해질보다 우수한 성능을 갖는다. LiTFSI 전해액은 일반 전해액보다 훨씬 고가이기 때문에 전해액 성능에 대한 특별한 요구사항이 없다면 LiTFSI를 첨가하지 않는다"고 말했다.

일부 애플리케이션 시나리오에서는 고출력 배터리, 전기 지게차 및 AGV와 같은 시나리오에 대한 실질적인 요구 사항이 있다고 믿어집니다. 생산공구의 내구성과 속성에 대한 우려로 사이클 수명과 저온성능의 문제를 동시에 해결하는 것도 필요하다. 따라서 차세대 전해질에 대한 연구와 개발은 계속될 것입니다. 그러나 그것은 여전히 다차원적인 관심사이자 성능, 비용 및 안전의 경쟁입니다. 그리고 시장은 결국 스스로 선택을 할 것입니다.

참조:

1. 정홍허; Qu, Qunting; 장 리; 류가오; Battaglia, Vincent (2012). "경질 탄소: 이온 전해질을 사용하는 고온 응용 분야를 위한 유망한 리튬 이온 배터리 양극". RSC 어드밴스. 왕립 화학 학회. (11): 4904–4912. doi:10.1039/C2RA20536J. 2020-08-15에 검색함.
2. 카미야마, 아즈사; 쿠보타 케이; 나카노 타케시; 후지무라 슌; 시라이시, 소시; 츠카다 히데히코; 고마바 신이치 (2020-01-27). "나트륨-이온 및 칼륨-이온 배터리용 거대 다공성 페놀 수지에서 합성된 고용량 경질 탄소". ACS 응용 에너지 재료. 미국 화학 학회. 3: 135~140. doi:10.1021/acsaem.9b01972.
3. Khosravi, Mohsen; 바시푸르, 네다 ; Nematpour, Fatemeh (2013-11-01). "리튬이온전지 음극재로 경질탄소 합성". 고급 재료 연구. 829: 922–926. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.829.922. S2CID 95359308. 2020-08-15에 확인함.
4. 고리파르티, 수브라만얌; 밀레, 에르만노; 드 안젤리스, 프란체스코; 디 파브리지오, 엔조; 프로이에티 자카리아, 레모; Capiglia, Claudio (2014). "최근 리튬이온전지용 나노구조 음극재의 발전에 대한 고찰". 전원 저널. 257: 421–443. Bibcode:2014JPS...257..421G. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.11.103.
5. 이리사리, E; 폰루치, A; Palacin, MR (2015). "나트륨 이온 전지용 경질 탄소 음극 재료 검토". 전기화학학회지. 162: A2476. doi:10.1149/2.0091514jes.
6. Dou, Xinwei; 하사, 이바나; 사우렐, 데미안; 발마, 크리스토프; 우, 리밍; Buchholz, 다니엘; 브레서, 도미닉; 고마바, 신이치; 파세리니, 스테파노(2019). "나트륨 이온 배터리용 경질 탄소: 구조, 분석, 지속 가능성 및 전기화학". 오늘의 재료. 23: 87~104. doi:10.1016/j.mattod.2018.12.040