Adakah LiTFSI pilihan terbaik untuk meningkatkan prestasi suhu rendah di sel HEV?
| Jerry Huang
Secara amnya dipercayai bahawa semakin tinggi perkadaran karbon keras (melebihi 15%) dilapisi ke anod bateri li-ion, semakin baik kekonduksiannya. Walau bagaimanapun, kita mesti menjelaskan bahawa pemadatan kepingan tiang karbon keras tulen adalah kira-kira 1.15 g / cc. Sekiranya lebih banyak karbon keras dilapisi dengan bahan grafit, ketumpatan pemadatan keseluruhan bahagian tiang akan dikurangkan (tanpa menambah ruang antara lapisan bahan inti). Hanya boleh mencapai 1.2g / cc paling banyak. Pada masa yang sama, karbon keras mungkin dipadatkan dan prestasinya mungkin tidak dapat digunakan sepenuhnya. Oleh itu, perlu memilih nisbah lapisan karbon keras yang berbeza mengikut senario aplikasi.
Adalah wajar bahawa bahan anoda biasanya tidak teratur dan tidak teratur. Semakin besar ukuran zarah bahan, semakin besar rintangan dalamannya. Oleh itu, jika lapisan karbon keras digunakan, walaupun jangka hayat bateri dapat diperluas dengan ketara, jangka hayat kalendarnya agak buruk (kapasiti sel bateri berkurang dalam masa penyimpanan 6 bulan).
Adakah LiTFSI pilihan terbaik untuk meningkatkan prestasi suhu rendah di sel HEV?
Jelas, bahan anoda bersalut karbon keras tidak mencukupi untuk menyelesaikan masalah kesakitan prestasi rendah pada suhu rendah; beberapa bahan lain mesti diperbaiki, seperti elektrolit. Elektrolit adalah bahagian penting dalam bateri ion litium, dan mereka bukan sahaja menentukan kadar penghijrahan ion Li + litium dalam fasa cecair, tetapi juga memainkan peranan penting dalam pembentukan filem SEI. Pada masa yang sama, elektrolit yang ada mempunyai pemalar dielektrik yang lebih rendah, sehingga ion litium dapat menarik lebih banyak molekul pelarut dan membebaskannya semasa penyahgaraman, menyebabkan perubahan entropi sistem dan pekali suhu (TC) yang lebih tinggi. Oleh itu, adalah penting untuk mencari kaedah pengubahsuaian yang mempunyai perubahan entropi yang lebih kecil semasa desolvasi, pekali suhu yang lebih rendah, dan kurang dipengaruhi oleh kepekatan elektrolit. Pada masa ini, terdapat dua cara untuk meningkatkan prestasi suhu rendah melalui elektrolit:
- Tingkatkan kekonduksian suhu rendah elektrolit dengan mengoptimumkan komposisi pelarut. Prestasi suhu rendah elektrolit ditentukan oleh titik eutektik suhu rendah. Sekiranya takat lebur terlalu tinggi, elektrolit cenderung mengkristal pada suhu rendah, yang secara serius akan mempengaruhi kekonduksian elektrolit dan akhirnya menyebabkan kegagalan bateri litium. EC ethylene carbonate adalah komponen pelarut penting bagi elektrolit. Titik leburnya ialah 36 ° C. Pada suhu rendah, kelarutannya cenderung menurun dan bahkan kristal diendapkan dalam elektrolit. Dengan menambahkan komponen lebur rendah dan kelikatan rendah untuk mencairkan dan mengurangkan kandungan pelarut EC, kelikatan dan titik eutektik elektrolit dapat dikurangkan dengan berkesan pada suhu rendah, dan kekonduksian elektrolit dapat ditingkatkan. Di samping itu, kajian dalam dan luar negara juga menunjukkan bahawa penggunaan asid karboksilik rantai, etil asetat, etil propionat, metil asetat, dan metil butirat sebagai pelarut bersama elektrolit bermanfaat untuk peningkatan kekonduksian suhu rendah elektrolit dan sangat meningkatkan prestasi suhu rendah bateri. Kemajuan yang ketara telah dicapai di kawasan ini.
- Penggunaan bahan tambahan baru untuk meningkatkan sifat filem SEI menjadikannya kondusif untuk pengaliran ion litium pada suhu rendah. Garam elektrolit adalah salah satu komponen penting elektrolit, dan juga merupakan faktor utama untuk memperoleh prestasi suhu rendah yang sangat baik. Sejak tahun 2021, garam elektrolit yang digunakan dalam skala besar adalah lithium hexafluorophosphate. Filem SEI yang mudah dibentuk setelah penuaan mempunyai impedans yang besar, menghasilkan prestasi suhu rendah yang buruk. Oleh itu, pengembangan garam litium jenis baru menjadi sangat penting. Lithium tetrafluoroborate dan lithium difluorooxalate borate (LiODFB), sebagai garam litium untuk elektrolit, juga membawa kekonduksian tinggi di bawah suhu tinggi dan rendah, sehingga bateri ion lithium menunjukkan prestasi elektrokimia yang sangat baik dalam julat suhu yang luas.
Sebagai jenis garam litium bukan berair baru, LiTFSI mempunyai kestabilan terma yang tinggi, sebilangan kecil hubungan anion dan kation, dan kelarutan dan pemisahan yang tinggi dalam sistem karbonat. Pada suhu rendah, kekonduksian tinggi dan rintangan pemindahan cas rendah elektrolit sistem LiFSI memastikan prestasi suhu rendahnya. Mandal Et Al. telah menggunakan LiTFSI sebagai garam litium dan EC / DMC / EMC / pC (nisbah jisim 15: 37: 38: 10) sebagai pelarut asas bagi elektrolit; dan hasilnya menunjukkan bahawa elektrolit masih mempunyai kekonduksian tinggi 2mScm-1 pada -40 ° C. Oleh itu, LiTFSI dianggap sebagai elektrolit paling menjanjikan yang dapat menggantikan lithium hexafluorophosphate, dan juga dianggap sebagai alternatif untuk peralihan ke era elektrolit padat.
Menurut Wikipedia, Lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, yang sering disebut sebagai LiTFSI, adalah garam hidrofilik dengan formula kimia LiC2F6NO4S2. LiTFSI adalah kristal putih atau serbuk yang boleh digunakan sebagai garam lithium elektrolit organik untuk bateri lithium-ion, yang menjadikan elektrolit menunjukkan kestabilan dan kekonduksian elektrokimia yang tinggi. Ia biasanya digunakan sebagai sumber Li-ion dalam elektrolit untuk bateri Li-ion sebagai alternatif yang lebih selamat daripada lithium hexafluorophosphate yang biasa digunakan. Ia terdiri dari satu kation Li dan anion bistriflimide. Kerana kelarutannya yang sangat tinggi dalam air (> 21 m), LiTFSI telah digunakan sebagai garam litium dalam elektrolit air dalam garam untuk bateri ion litium berair.
LiTFSI dapat diperoleh dengan reaksi bis (trifluoromethylsulfonyl) imide dan lithium hidroksida atau lithium karbonat dalam larutan berair, dan anhidrat dapat diperoleh dengan pengeringan vakum pada suhu 110 ° C: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O
Lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide boleh digunakan untuk menyiapkan elektrolit untuk bateri litium dan sebagai pemangkin asid Lewis baru di nadir bumi; ia digunakan untuk menyediakan garam imidazolium kiral dengan reaksi penggantian anion dari trifluoromethanesulfonates yang sesuai. Produk ini adalah sebatian ion organik yang mengandungi fluorin yang penting, yang digunakan dalam bateri lithium sekunder, buku kapasitor super kapasitor, kapasitor elektrolit aluminium, bahan elektrolit bukan berair berprestasi tinggi dan sebagai pemangkin kecekapan tinggi baru. Kegunaan asasnya adalah seperti berikut:
- Bateri litium
- Cecair ionik
- Antistatik
- Perubatan (lebih kurang biasa)
Namun, seorang jurutera R&D dari China pernah berkata: “LiTFSI terutama digunakan sebagai bahan tambahan dalam elektrolit semasa dan tidak akan digunakan sebagai garam utama saja. Di samping itu, walaupun digunakan sebagai bahan tambahan, elektrolit yang diformulasikan mempunyai prestasi yang lebih baik daripada elektrolit lain. Elektrolit LiTFSI jauh lebih mahal daripada jenis elektrolit biasa, jadi LiTFSI tidak ditambahkan, jika tidak ada keperluan khusus mengenai prestasi elektrolit. "
Dipercayai bahawa dalam beberapa senario aplikasi, terdapat keperluan besar untuk bateri berkuasa tinggi, senario seperti forklift elektrik dan AGV. Mengenai ketahanan dan sifat alat pengeluaran, juga perlu untuk menyelesaikan masalah jangka hayat dan prestasi suhu rendah pada satu masa. Oleh itu, penyelidikan dan pengembangan elektrolit generasi seterusnya akan berterusan. Tetapi ia tetap menjadi perhatian dan persaingan pelbagai dimensi mengenai prestasi, kos, dan keselamatan; dan pasaran akhirnya akan membuat pilihan mereka sendiri.
Rujukan:
- Zheng, Honghe; Qu, Qunting; Zhang, Li; Liu, Gao; Battaglia, Vincent (2012). "Karbon keras: anoda bateri lithium-ion yang menjanjikan untuk aplikasi suhu tinggi dengan elektrolit ionik". Kemajuan RSC. Persatuan Kimia Diraja. (11): 4904–4912. doi: 10.1039 / C2RA20536J. Diakses pada 2020-08-15.
- Kamiyama, Azusa; Kubota, Kei; Nakano, Takeshi; Fujimura, Shun; Shiraishi, Soshi; Tsukada, Hidehiko; Komaba, Shinichi (2020-01-27). "Karbon Berkapasiti Tinggi yang disintesis dari Resin Fenolik Macropori untuk Bateri Natrium-Ion dan Kalium-Ion". Bahan Tenaga Gunaan ACS. Persatuan Kimia Amerika. 3: 135–140. doi: 10.1021 / acsaem.9b01972.
- Khosravi, Mohsen; Bashirpour, Neda; Nematpour, Fatemeh (2013-11-01). "Sintesis Karbon Keras sebagai Bahan Anod untuk Bateri Lithium Ion". Penyelidikan Bahan Lanjutan. 829: 922–926. doi: 10.4028 / www.scientific.net / AMR.829.922. S2CID 95359308. Diperoleh pada 2020-08-15.
- Goriparti, Subrahmanyam; Miele, Ermanno; De Angelis, Francesco; Di Fabrizio, Enzo; Proietti Zaccaria, Remo; Capiglia, Claudio (2014). "Mengkaji kemajuan terkini bahan anod berstruktur nanost untuk bateri Li-ion". Jurnal Sumber Kuasa. 257: 421–443. Kod Bib: 2014JPS ... 257..421G. doi: 10.1016 / j.jpowsour.2013.11.103.
- Irisarri, E; Ponrouch, A; Palacín, MR (2015). "Ulasan-Bahan Elektrod Negatif Karbon Keras untuk Bateri Natrium-Ion". Jurnal Persatuan Elektrokimia. 162: A2476. doi: 10.1149 / 2.0091514jes.
- Dou, Xinwei; Hasa, Ivana; Saurel, Damien; Vaalma, Christoph; Wu, Liming; Buchholz, Daniel; Bresser, Dominic; Komaba, Shinichi; Passerini, Stefano (2019). "Karbon keras untuk bateri natrium-ion: Struktur, analisis, kelestarian, dan elektrokimia". Bahan Hari Ini. 23: 87–104. doi: 10.1016 / j.mattod.2018.12.040