LiTFSI เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำในเซลล์ HEV หรือไม่

2021-10-11 | Jerry Huang

โดยทั่วไป เชื่อกันว่ายิ่งสัดส่วนของฮาร์ดคาร์บอนสูง (มากกว่า 15%) เคลือบกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเท่าใด การนำไฟฟ้าก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เราต้องทำให้ชัดเจนว่าการบดอัดชิ้นขั้วคาร์บอนแข็งบริสุทธิ์นั้นอยู่ที่ประมาณ 1.15 กรัม/ซีซี หากวัสดุกราไฟท์เคลือบคาร์บอนแข็งมากขึ้น ความหนาแน่นของการบดอัดของชิ้นขั้วทั้งหมดจะลดลง (โดยไม่เพิ่มช่องว่างระหว่างชั้นวัสดุหลัก) สามารถบรรลุได้เพียง 1.2g/cc เท่านั้น ในเวลาเดียวกัน ฮาร์ดคาร์บอนอาจถูกบีบอัดและประสิทธิภาพการทำงานอาจใช้ไม่เต็มที่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกอัตราส่วนของการเคลือบฮาร์ดคาร์บอนที่แตกต่างกันตามสถานการณ์การใช้งาน

เป็นเรื่องปกติที่วัสดุแอโนดมักจะมีแรงกดไม่สม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอ ยิ่งขนาดอนุภาคของวัสดุใหญ่ขึ้นเท่าใด ความต้านทานภายในก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น หากใช้การเคลือบฮาร์ดคาร์บอน แม้ว่าอายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อายุการใช้งานปฏิทินของมันก็ค่อนข้างต่ำ (ความจุของเซลล์แบตเตอรี่ลดลงอย่างมากภายในการจัดเก็บ 6 เดือน)

LiTFSI เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำในเซลล์ HEV หรือไม่

เห็นได้ชัดว่าวัสดุแอโนดที่เคลือบด้วยคาร์บอนแข็งไม่เพียงพอที่จะแก้ไขจุดปวดของประสิทธิภาพต่ำที่อุณหภูมิต่ำ ต้องปรับปรุงวัสดุอื่นๆ เช่น อิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และไม่เพียงแต่กำหนดอัตราการย้ายของไอออน Li+ ลิเธียมในเฟสของเหลว แต่ยังมีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของฟิล์ม SEI ในเวลาเดียวกัน อิเล็กโทรไลต์ที่มีอยู่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่ต่ำกว่า เพื่อให้ลิเธียมไอออนสามารถดึงดูดโมเลกุลตัวทำละลายได้มากขึ้น และปลดปล่อยโมเลกุลเหล่านี้ในระหว่างการละลาย ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (TCs) สูงขึ้น ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องหาวิธีการดัดแปลงที่มีการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีน้อยกว่าในระหว่างการตกตะกอน ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่ต่ำกว่า และได้รับผลกระทบจากความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์น้อยกว่า ในปัจจุบัน มีสองวิธีในการปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำผ่านอิเล็กโทรไลต์:

1. ปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำของอิเล็กโทรไลต์โดยการปรับองค์ประกอบของตัวทำละลายให้เหมาะสม ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำของอิเล็กโทรไลต์ถูกกำหนดโดยจุดยูเทคติกที่อุณหภูมิต่ำ หากจุดหลอมเหลวสูงเกินไป อิเล็กโทรไลต์มีแนวโน้มที่จะตกผลึกที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์และนำไปสู่ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมในที่สุด EC เอทิลีนคาร์บอเนตเป็นส่วนประกอบตัวทำละลายที่สำคัญของอิเล็กโทรไลต์ จุดหลอมเหลวของมันคือ 36°C ที่อุณหภูมิต่ำ ความสามารถในการละลายจะลดลงและแม้แต่ผลึกก็ตกตะกอนในอิเล็กโทรไลต์ โดยการเพิ่มส่วนประกอบที่หลอมละลายต่ำและความหนืดต่ำเพื่อเจือจางและลดปริมาณ EC ของตัวทำละลาย ความหนืดและจุดยูเทคติกของอิเล็กโทรไลต์จะลดลงอย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ และสามารถปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ได้ นอกจากนี้ การศึกษาในประเทศและต่างประเทศยังแสดงให้เห็นว่าการใช้กรดคาร์บอกซิลิกลูกโซ่ เอทิลอะซิเตท เอทิลโพรพิโอเนต เมทิลอะซิเตต และเมทิลบิวทิเรตเป็นตัวทำละลายร่วมของอิเล็กโทรไลต์เป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำของอิเล็กโทรไลต์และ ปรับปรุงประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่อย่างมาก มีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านนี้
2. การใช้สารเติมแต่งใหม่เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของฟิล์ม SEI ทำให้เอื้อต่อการนำลิเธียมไอออนที่อุณหภูมิต่ำ เกลืออิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญอย่างหนึ่งของอิเล็กโทรไลต์ และยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ได้ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำที่ดีเยี่ยมอีกด้วย ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2564 เกลืออิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในปริมาณมากคือลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต ฟิล์ม SEI ที่ก่อตัวขึ้นได้ง่ายหลังจากอายุมากขึ้นจะมีอิมพีแดนซ์สูง ส่งผลให้ประสิทธิภาพในอุณหภูมิต่ำต่ำ ดังนั้นการพัฒนาเกลือลิเธียมชนิดใหม่จึงเป็นเรื่องเร่งด่วน Lithium tetrafluoroborate และ lithium difluorooxalate borate (LiODFB) เป็นเกลือลิเธียมสำหรับอิเล็กโทรไลต์ ยังนำค่าการนำไฟฟ้าสูงภายใต้อุณหภูมิสูงและต่ำ เพื่อให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแสดงประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมีที่ยอดเยี่ยมในช่วงอุณหภูมิกว้าง

ในฐานะที่เป็นเกลือลิเธียมชนิดใหม่ที่ไม่ใช่น้ำ LiTFSI มีความคงตัวทางความร้อนสูง มีความสัมพันธ์กันของประจุลบและไอออนบวกเพียงเล็กน้อย และมีความสามารถในการละลายและการแตกตัวสูงในระบบคาร์บอเนต ที่อุณหภูมิต่ำ อิเล็กโทรไลต์ระบบ LiFSI ที่มีการนำไฟฟ้าสูงและถ่ายเทประจุต่ำช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ แมนดัล เอต อัล ได้ใช้ LiTFSI เป็นเกลือลิเธียม และ EC/DMC/EMC/pC (อัตราส่วนมวล 15:37:38:10) เป็นตัวทำละลายพื้นฐานสำหรับอิเล็กโทรไลต์ และผลปรากฏว่าอิเล็กโทรไลต์ยังคงมีค่าการนำไฟฟ้าสูงที่ 2mScm-1 ที่อุณหภูมิ -40°C ดังนั้น LiTFSI จึงถือเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่มีแนวโน้มดีที่สุดที่สามารถแทนที่ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต และยังถือเป็นอีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการเปลี่ยนผ่านไปสู่ยุคของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง

ตามวิกิพีเดีย ลิเธียม บิส (ไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟนิล)อิไมด์ มักเรียกง่ายๆ ว่า LiTFSI เป็นเกลือที่ชอบน้ำซึ่งมีสูตรทางเคมี LiC2F6NO4S2 LiTFSI เป็นผลึกหรือผงสีขาวที่สามารถใช้เป็นเกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งทำให้อิเล็กโทรไลต์มีความคงตัวและการนำไฟฟ้าสูง โดยทั่วไปจะใช้เป็นแหล่ง Li-ion ในอิเล็กโทรไลต์สำหรับแบตเตอรี่ Li-ion ซึ่งเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตที่ใช้กันทั่วไป ประกอบด้วย Li cation หนึ่งตัวและ anion bistriflimide เนื่องจากมีความสามารถในการละลายน้ำได้สูงมาก (> 21 ม.) LiTFSI จึงถูกใช้เป็นเกลือลิเธียมในอิเล็กโทรไลต์แบบน้ำในเกลือสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบน้ำ

LiTFSI หาได้จากปฏิกิริยาของบิส (ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล)อิไมด์และลิเธียมไฮดรอกไซด์หรือลิเธียมคาร์บอเนตในสารละลายที่เป็นน้ำ และสามารถรับแอนไฮดรัสได้โดยการทำให้แห้งด้วยสุญญากาศที่อุณหภูมิ 110 °C: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

ลิเทียม บิส (ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล) อิไมด์สามารถใช้เตรียมอิเล็กโทรไลต์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยากรดลิวอิสใหม่ในแร่หายาก มันถูกใช้เพื่อเตรียมเกลือ chiral imidazolium โดยปฏิกิริยาการแทนที่แอนไอออนของไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟเนตที่สอดคล้องกัน ผลิตภัณฑ์นี้เป็นสารประกอบอินทรีย์ไอออนที่ประกอบด้วยฟลูออรีนที่สำคัญ ซึ่งใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมรอง, ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ Chemicalbook, ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์, วัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่น้ำประสิทธิภาพสูง และเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง การใช้งานพื้นฐานมีดังนี้:

1. แบตเตอรี่ลิเธียม
2. ของเหลวไอออนิก
3. ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์
4. ยา (พบน้อยกว่ามาก)

อย่างไรก็ตาม วิศวกร R&D จากประเทศจีนเคยกล่าวไว้ว่า: “LiTFSI ส่วนใหญ่จะใช้เป็นสารเติมแต่งในอิเล็กโทรไลต์ในปัจจุบัน และจะไม่ถูกใช้เป็นเกลือหลักเพียงอย่างเดียว นอกจากนี้ แม้ว่าจะใช้เป็นสารเติมแต่ง แต่อิเล็กโทรไลต์ที่ผสมสูตรก็มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าอิเล็กโทรไลต์อื่นๆ อิเล็กโทรไลต์ LiTFSI มีราคาแพงกว่าอิเล็กโทรไลต์ประเภทปกติมาก ดังนั้นจึงไม่มีการเติม LiTFSI หากไม่มีข้อกำหนดพิเศษเกี่ยวกับประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลต์"

เป็นที่เชื่อกันว่าในบางสถานการณ์การใช้งาน มีข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับแบตเตอรี่กำลังสูง สถานการณ์ต่างๆ เช่น รถยกไฟฟ้าและ AGV เนื่องจากมีความกังวลเกี่ยวกับความทนทานและคุณสมบัติของเครื่องมือการผลิต จึงจำเป็นต้องแก้ปัญหาเกี่ยวกับอายุการใช้งานและประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำในคราวเดียว ดังนั้นการวิจัยและพัฒนาอิเล็กโทรไลต์รุ่นต่อไปจะดำเนินต่อไป แต่ก็ยังเป็นข้อกังวลหลายมิติและการแข่งขันในด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน และความปลอดภัย และตลาดจะตัดสินใจด้วยตัวเองในที่สุด

ข้อมูลอ้างอิง:

1. เจิ้ง, หงเหอ; Qu, Quting; จาง, หลี่; หลิวเกา; Battaglia, Vincent (2012). "ฮาร์ดคาร์บอน: แอโนดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีแนวโน้มสูงสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงด้วยอิออนอิเล็กโทรไลต์" RSC ก้าวหน้า ราชสมาคมเคมี (11): 4904–4912. ดอย:10.1039/C2RA20536J. สืบค้นเมื่อ 2020-08-15.
2. คามิยามะ อาซึสะ; คูโบต้า เคย์; นากาโนะ, ทาเคชิ; ฟูจิมูระ, ชุน; ชิราอิชิ, โซชิ; ซึคาดะ, ฮิเดฮิโกะ; โคมาบะ, ชินิจิ (2020-01-27). "ฮาร์ดคาร์บอนสังเคราะห์ความจุสูงจาก Macroporous Phenolic Resin สำหรับแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนและโพแทสเซียม-ไอออน" วัสดุพลังงานประยุกต์ ACS สมาคมเคมีอเมริกัน 3: 135–140. ดอย:10.1021/acsaem.9b01972.
3. Khosravi, Mohsen; Bashirpour, เนดา; Nematpour, Fatemeh (2013-11-01) "การสังเคราะห์ฮาร์ดคาร์บอนเป็นวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน" การวิจัยวัสดุขั้นสูง 829: 922–926. ดอย:10.4028/www.scientific.net/AMR.829.922. S2CID 95359308 สืบค้นเมื่อ 2020-08-15.
4. Goriparti, Subrahmanyam; มิเอเล่, เออร์มานโน; เดอแอนเจลิส, ฟรานเชสโก; ดิ ฟาบริซิโอ, เอ็นโซ; Proietti Zaccaria, เรโม; Capiglia, คลอดิโอ (2014). "ทบทวนความคืบหน้าล่าสุดของวัสดุแอโนดที่มีโครงสร้างนาโนสำหรับแบตเตอรี่ Li-ion" วารสารแหล่งพลังงาน. 257: 421–443. Bibcode:2014JPS...257..421G. ดอย:10.1016/j.jpowsour.2013.11.103.
5. Irisarri, อี; พอนรูช เอ; Palacin, MR (2015). "ทบทวน-วัสดุอิเล็กโทรดลบคาร์บอนแข็งสำหรับแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน" วารสารสมาคมไฟฟ้าเคมี. 162: A2476. ดอย:10.1149/2.0091514jes.
6. Dou, Xinwei; ฮาซา, อิวานา; เซาเรล, ดาเมียน; วาลมา, คริสตอฟ; หวู่ หลี่หมิง; บุชโฮลซ์, แดเนียล; เบรสเซอร์, โดมินิค; โคมาบะ, ชินิจิ; พาสเซรินี, สเตฟาโน (2019). "ฮาร์ดคาร์บอนสำหรับแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน: โครงสร้าง การวิเคราะห์ ความยั่งยืน และเคมีไฟฟ้า" วัสดุวันนี้. 23: 87–104. ดอย:10.1016/j.mattod.2018.12.040