Är LiTFSI det bästa valet för att förbättra lågtemperaturprestanda i HEV -celler?

2021-10-11 | Jerry Huang

Generellt tror man att ju högre andel hårt kol (över 15%) är belagt med anoden på ett li-jonbatteri, desto bättre är dess konduktivitet. Vi måste dock göra det klart att packningen av rena hårda kolpolstycken är cirka 1,15 g/cc. Om mer hårt kol beläggs med grafitmaterialet kommer komprimeringstätheten för hela polstycket att minska (utan att öka utrymmet mellan kärnmaterialskikten). Den kan bara uppnå högst 1,2 g/cc. Samtidigt kan det hårda kolet komprimeras och prestandan kanske inte utnyttjas fullt ut. Därför är det nödvändigt att välja olika förhållanden mellan hård kolbeläggning enligt tillämpningsscenarier.

Det är sunt förnuft att anodmaterialet vanligtvis är ojämnt belastat och oregelbundet. Ju större materialets partikelstorlek, desto större är det inre motståndet. Därför, om hård kolbeläggning används, även om batteriets livslängd kan förlängas avsevärt, är dess kalendertid relativt dålig (battericellens kapacitet minskar kraftigt inom lagring på 6 månader).

Är LiTFSI det bästa valet för att förbättra lågtemperaturprestanda i HEV -celler?

Uppenbarligen räcker inte hårt kolbelagt anodmaterial för att lösa smärtpunkterna vid dålig prestanda vid låg temperatur; vissa andra material måste förbättras, till exempel elektrolyter. Elektrolyter är en viktig del av litiumjonbatterier, och de bestämmer inte bara migrationshastigheten för Li+ litiumjoner i vätskefasen, utan spelar också en nyckelroll i bildandet av SEI-film. Samtidigt har de befintliga elektrolyterna en lägre dielektrisk konstant, så att litiumjoner kan locka till sig fler lösningsmedelsmolekyler och släppa dem under upplösning, vilket orsakar större systementropiförändringar och högre temperaturkoefficienter (TC). Därför är det viktigt att hitta en modifieringsmetod som har en mindre entropiförändring under upplösning, en lägre temperaturkoefficient och påverkas mindre av elektrolytkoncentrationen. För närvarande finns det två sätt att förbättra lågtemperaturprestanda genom elektrolyter:

1. Förbättra elektrolyternas lågtemperatur konduktivitet genom att optimera lösningsmedlets sammansättning. Lågtemperaturprestanda för elektrolyter bestäms av den eutektiska punkten vid låg temperatur. Om smältpunkten är för hög, kommer elektrolyten sannolikt att kristallisera ut vid låga temperaturer, vilket allvarligt kommer att påverka elektrolyternas konduktivitet och slutligen leda till att litiumbatteriet misslyckas. EC -etylenkarbonat är en viktig lösningsmedelskomponent i elektrolyten. Dess smältpunkt är 36 ° C. Vid låga temperaturer kommer dess löslighet sannolikt att minska och även kristaller fälls ut i elektrolyter. Genom att tillsätta komponenter med låg smältning och låg viskositet för att späda ut och minska EC-innehållet i lösningsmedlet kan elektrolytens viskositet och eutektiska punkt effektivt reduceras vid låga temperaturer och elektrolyternas konduktivitet kan förbättras. Dessutom har inhemska och utomeuropeiska studier också visat att användningen av kedjekarboxylsyra, etylacetat, etylpropionat, metylacetat och metylbutyrat som elektrolytens samlösningsmedel är fördelaktigt för förbättringen av lågtemperaturledningsförmågan hos elektrolyter och förbättrar kraftigt batteriets låga temperaturprestanda. Betydande framsteg har gjorts på detta område.
2. Användningen av nya tillsatser för att förbättra SEI -filmens egenskaper gör att den bidrar till ledning av litiumjoner vid låga temperaturer. Elektrolytsalt är en av de viktiga komponenterna i elektrolyter, och det är också en nyckelfaktor för att få utmärkta lågtemperaturprestanda. Sedan 2021 är elektrolytsaltet som används i stor skala litiumhexafluorfosfat. SEI-filmen som lätt formas efter åldrande har en stor impedans, vilket resulterar i dålig lågtemperaturprestanda. Därför blir utvecklingen av en ny typ av litiumsalt angelägen. Litiumtetrafluorborat och litiumdifluorooxalatborat (LiODFB), som litiumsalter för elektrolyt, har också medfört hög konduktivitet under höga och låga temperaturer, så att litiumjonbatteriet uppvisar utmärkt elektrokemisk prestanda i ett brett temperaturintervall.

Som en ny typ av icke-vattenhaltigt litiumsalt har LiTFSI hög termisk stabilitet, en liten grad av sammanslutning av anjon och katjon, och hög löslighet och dissociation i karbonatsystem. Vid låga temperaturer garanterar LiFSI -systemets elektrolyt höga konduktivitet och låga laddningsöverföringsmotstånd. Mandal Et Al. har använt LiTFSI som litiumsalt och EC/DMC/EMC/pC (massförhållande 15: 37: 38: 10) som baslösningsmedel för elektrolyt; och resultatet visade att elektrolyten fortfarande har en hög konduktivitet på 2mScm -1 vid -40 ° C. Därför betraktas LiTFSI som den mest lovande elektrolyten som kan ersätta litiumhexafluorfosfat, och betraktas också som ett alternativ för övergången till en era av fasta elektrolyter.

Enligt Wikipedia är Litium bis (trifluormetansulfonyl) imid, ofta helt enkelt kallat LiTFSI, ett hydrofilt salt med den kemiska formeln LiC2F6NO4S2. LiTFSI är en vit kristall eller pulver som kan användas som ett organiskt elektrolytlitiumsalt för litiumjonbatterier, vilket gör att elektrolyten visar hög elektrokemisk stabilitet och konduktivitet. Det används vanligtvis som litiumjonkälla i elektrolyter för litiumjonbatterier som ett säkrare alternativ till vanligt litiumhexafluorfosfat. Den består av en Li -katjon och en bistriflimid -anjon. På grund av sin mycket höga löslighet i vatten (> 21 m) har LiTFSI använts som litiumsalt i vatten-i-salt-elektrolyter för vattenhaltiga litiumjonbatterier.

LiTFSI kan erhållas genom reaktion av bis (trifluormetylsulfonyl) imid och litiumhydroxid eller litiumkarbonat i en vattenlösning, och det vattenfria kan erhållas genom vakuumtorkning vid 110 ° C: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

Litiumbis (trifluormetylsulfonyl) imid kan användas för att förbereda elektrolyter för litiumbatterier och som en ny Lewis -syrakatalysator i sällsynt jordartsmetall; den används för att framställa kirala imidazoliumsalter genom anjonersättningsreaktion av motsvarande trifluormetansulfonater. Denna produkt är en viktig fluorinnehållande organisk jonförening, som används i sekundära litiumbatterier, superkondensator Chemicalbook, aluminiumelektrolytkondensatorer, högpresterande icke-vattenhaltiga elektrolytmaterial och som ny högeffektiv katalysator. Dess grundläggande användningsområden är följande:

1. Litiumbatterier
2. Joniska vätskor
3. Antistatisk
4. Medicin (mycket mindre vanligt)

En FoU -ingenjör från Kina sa emellertid en gång: ”LiTFSI används huvudsakligen som tillsats i nuvarande elektrolyter och kommer inte att användas som huvudsalt bara. Dessutom, även om den används som tillsats, har den formulerade elektrolyten bättre prestanda än andra elektrolyter. LiTFSI -elektrolyt är mycket dyrare än vanliga typer av elektrolyter, så LiTFSI läggs inte till om det inte finns några särskilda krav på elektrolytprestanda. "

Man tror att det i vissa tillämpningsscenarier finns stora krav på högeffektsbatterier, scenarier som elektriska gaffeltruckar och AGV. När det gäller hållbarhet och egenskaper hos produktionsverktyg är det också nödvändigt att lösa problemen med cykelliv och lågtemperaturprestanda samtidigt. Därför kommer forskning och utveckling av nästa generations elektrolyter att fortsätta. Men det är fortfarande en mångdimensionell oro och konkurrens om prestanda, kostnad och säkerhet; och marknaderna kommer så småningom att göra sina egna val.

Referenser:

1. Zheng, Honghe; Qu, Qunting; Zhang, Li; Liu, Gao; Battaglia, Vincent (2012). "Hårt kol: en lovande litiumjonbatterianod för högtemperaturapplikationer med jonisk elektrolyt". RSC Advances. Royal Society of Chemistry. (11): 4904–4912. doi: 10.1039/C2RA20536J. Hämtad 2020-08-15.
2. Kamiyama, Azusa; Kubota, Kei; Nakano, Takeshi; Fujimura, Shun; Shiraishi, Soshi; Tsukada, Hidehiko; Komaba, Shinichi (2020-01-27). "Hårt kol med hög kapacitet syntetiserat från makroporöst fenolharts för natriumjon- och kaliumjonbatteri". ACS Applied Energy Materials. American Chemical Society. 3: 135–140. doi: 10.1021/acsaem.9b01972.
3. Khosravi, Mohsen; Bashirpour, Neda; Nematpour, Fatemeh (2013-11-01). "Syntes av hårt kol som anodmaterial för litiumjonbatteri". Avancerad materialforskning. 829: 922–926. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.829.922. S2CID 95359308. Hämtad 2020-08-15.
4. Goriparti, Subrahmanyam; Miele, Ermanno; De Angelis, Francesco; Di Fabrizio, Enzo; Proietti Zaccaria, Remo; Capiglia, Claudio (2014). "Granskning av de senaste framstegen för nanostrukturerade anodmaterial för litiumjonbatterier". Journal of Power Sources. 257: 421–443. Bibcode: 2014JPS ... 257..421G. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.11.103.
5. Irisarri, E; Ponrouch, A; Palacín, MR (2015). "Review-Hard Carbon Negative Electrode Materials for Sodium-Ion Battteries". Journal of the Electrochemical Society. 162: A2476. doi: 10.1149/2.0091514jes.
6. Dou, Xinwei; Hasa, Ivana; Saurel, Damien; Vaalma, Christoph; Wu, Liming; Buchholz, Daniel; Bresser, Dominic; Komaba, Shinichi; Passerini, Stefano (2019). "Hårda kol för natriumjonbatterier: Struktur, analys, hållbarhet och elektrokemi". Material idag. 23: 87–104. doi: 10.1016/j.mattod.2018.12.040