LiTFSI có phải là lựa chọn tốt nhất để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp trong tế bào HEV không?

2021-10-11 | Jerry Huang

Nói chung, người ta tin rằng tỷ lệ cacbon cứng càng cao (trên 15%) được phủ lên cực dương của pin li-ion thì độ dẫn điện của nó càng tốt. Tuy nhiên, chúng ta phải làm rõ rằng độ nén của các mảnh cực cacbon cứng nguyên chất là khoảng 1,15 g / cc. Nếu nhiều cacbon cứng hơn được phủ lên vật liệu graphit, mật độ nén của toàn bộ phần cực sẽ giảm (mà không làm tăng không gian giữa các lớp vật liệu lõi). Nó chỉ có thể đạt được tối đa 1,2g / cc. Đồng thời, carbon cứng có thể bị nén chặt và hiệu suất có thể không được sử dụng hết. Do đó, cần phải lựa chọn tỷ lệ lớp phủ carbon cứng khác nhau tùy theo các tình huống ứng dụng.

Thông thường, vật liệu anốt thường có ứng suất không đều và không đều. Kích thước hạt của vật liệu càng lớn thì nội trở càng lớn. Do đó, nếu sử dụng lớp phủ carbon cứng, mặc dù tuổi thọ của pin có thể được mở rộng đáng kể, nhưng tuổi thọ của nó tương đối kém (dung lượng pin giảm đáng kể trong vòng 6 tháng).

LiTFSI có phải là lựa chọn tốt nhất để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp trong tế bào HEV không?

Rõ ràng, vật liệu anode cứng phủ carbon không đủ để giải quyết các điểm khó khăn của hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp; một số vật liệu khác phải được cải tiến, chẳng hạn như chất điện phân. Chất điện giải là một phần quan trọng của pin lithium-ion, và chúng không chỉ xác định tốc độ di chuyển của các ion Li + lithium trong pha lỏng mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành màng SEI. Đồng thời, các chất điện phân hiện tại có hằng số điện môi thấp hơn, do đó các ion liti có thể thu hút nhiều phân tử dung môi hơn và giải phóng chúng trong quá trình khử cặn, gây ra sự thay đổi entropi của hệ thống lớn hơn và hệ số nhiệt độ (TC) cao hơn. Do đó, điều quan trọng là phải tìm ra một phương pháp điều chế có sự thay đổi entropi nhỏ hơn trong quá trình khử đá, hệ số nhiệt độ thấp hơn và ít bị ảnh hưởng bởi nồng độ chất điện ly. Hiện tại, có hai cách để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp thông qua chất điện phân:

1. Cải thiện độ dẫn ở nhiệt độ thấp của chất điện phân bằng cách tối ưu hóa thành phần của dung môi. Hiệu suất ở nhiệt độ thấp của chất điện phân được xác định bởi điểm eutectic ở nhiệt độ thấp. Nếu nhiệt độ nóng chảy quá cao, chất điện phân có khả năng kết tinh ở nhiệt độ thấp, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ dẫn điện của chất điện phân và cuối cùng dẫn đến hỏng pin. EC ethylene cacbonat là một thành phần dung môi quan trọng của chất điện phân. Điểm nóng chảy của nó là 36 ° C. Ở nhiệt độ thấp, độ hòa tan của nó có thể giảm và thậm chí các tinh thể bị kết tủa trong chất điện phân. Bằng cách thêm các thành phần có độ nóng chảy thấp và độ nhớt thấp để pha loãng và giảm hàm lượng EC của dung môi, độ nhớt và điểm eutectic của chất điện phân có thể được giảm hiệu quả ở nhiệt độ thấp, và độ dẫn điện của chất điện phân có thể được cải thiện. Ngoài ra, các nghiên cứu trong và ngoài nước cũng chỉ ra rằng việc sử dụng axit cacboxylic chuỗi, etyl axetat, etyl propionat, metyl axetat và metyl butyrat làm đồng dung môi điện phân có lợi cho việc cải thiện độ dẫn ở nhiệt độ thấp của chất điện phân và cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt độ thấp của pin. Đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này.
2. Việc sử dụng các chất phụ gia mới để cải thiện các đặc tính của màng SEI làm cho nó có lợi cho việc dẫn các ion liti ở nhiệt độ thấp. Muối điện phân là một trong những thành phần quan trọng của chất điện phân, và nó cũng là yếu tố then chốt để có được hiệu suất tuyệt vời ở nhiệt độ thấp. Kể từ năm 2021, muối điện phân được sử dụng trên quy mô lớn là liti hexafluorophosphat. Màng SEI dễ hình thành sau quá trình lão hóa có trở kháng lớn, dẫn đến hiệu suất ở nhiệt độ thấp kém. Do đó, việc phát triển một loại muối liti mới trở nên cấp thiết. Lithium tetrafluoroborate và lithium difluorooxalate borate (LiODFB), là muối lithium cho chất điện phân, cũng mang lại độ dẫn điện cao trong điều kiện nhiệt độ cao và thấp, do đó pin lithium ion thể hiện hiệu suất điện hóa tuyệt vời trong phạm vi nhiệt độ rộng.

Là một loại muối liti không chứa nước mới, LiTFSI có độ ổn định nhiệt cao, mức độ liên kết nhỏ của anion và cation, cũng như khả năng hòa tan và phân ly cao trong các hệ thống cacbonat. Ở nhiệt độ thấp, độ dẫn điện cao và khả năng chống truyền điện tích thấp của chất điện phân hệ thống LiFSI đảm bảo hiệu suất ở nhiệt độ thấp. Mandal Et Al. đã sử dụng LiTFSI làm muối lithium và EC / DMC / EMC / pC (tỷ lệ khối lượng 15: 37: 38: 10) làm dung môi cơ bản cho chất điện phân; và kết quả cho thấy chất điện phân vẫn có độ dẫn điện cao 2mScm-1 ở -40 ° C. Do đó, LiTFSI được coi là chất điện ly hứa hẹn nhất có thể thay thế lithium hexafluorophosphate, và cũng được coi là chất thay thế cho quá trình chuyển đổi sang kỷ nguyên của chất điện ly rắn.

Theo Wikipedia, Lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, thường được gọi đơn giản là LiTFSI, là một loại muối ưa nước có công thức hóa học LiC2F6NO4S2. LiTFSI là tinh thể hoặc bột màu trắng có thể được sử dụng làm muối lithium điện phân hữu cơ cho pin lithium-ion, giúp chất điện phân có độ dẫn và độ dẫn điện ổn định điện hóa cao. Nó thường được sử dụng làm nguồn Li-ion trong chất điện phân cho pin Li-ion như một giải pháp thay thế an toàn hơn cho lithium hexafluorophosphate thường được sử dụng. Nó được tạo thành từ một cation Li và một anion bistriflimide. Do khả năng hòa tan rất cao trong nước (> 21 m), LiTFSI đã được sử dụng làm muối lithium trong chất điện phân nước trong muối cho pin lithium-ion dạng nước.

LiTFSI có thể thu được bằng phản ứng của bis (trifluoromethylsulfonyl) imide và lithium hydroxit hoặc lithium cacbonat trong dung dịch nước, và chất khan có thể thu được bằng cách làm khô chân không ở 110 ° C: LiOH + HNTf2 → LiNTf2 + H2O

Liti bis (trifluoromethylsulfonyl) imide có thể được sử dụng để điều chế chất điện phân cho pin lithium và làm chất xúc tác axit Lewis mới trong đất hiếm; nó được sử dụng để điều chế muối imidazolium bất đối bằng phản ứng thay thế anion của trifluoromethanesulfonat tương ứng. Sản phẩm này là một hợp chất ion hữu cơ chứa flo quan trọng, được sử dụng trong pin lithium thứ cấp, siêu tụ điện Chemicalbook, tụ điện nhôm, vật liệu điện phân không chứa nước hiệu suất cao và làm chất xúc tác hiệu suất cao mới. Công dụng cơ bản của nó như sau:

1. Pin lithium
2. Chất lỏng ion
3. Chống tĩnh điện
4. Thuốc (ít phổ biến hơn nhiều)

Tuy nhiên, một kỹ sư R&D đến từ Trung Quốc từng cho biết: “LiTFSI chủ yếu được sử dụng như một chất phụ gia trong các chất điện phân hiện nay và sẽ không được sử dụng như muối chính. Ngoài ra, ngay cả khi nó được sử dụng như một chất phụ gia, chất điện phân công thức có hiệu suất tốt hơn so với các chất điện phân khác. LiTFSI Electrolyte đắt hơn nhiều so với các loại chất điện giải thông thường, vì vậy LiTFSI không được thêm vào, nếu không có yêu cầu đặc biệt về hiệu suất của chất điện giải. "

Người ta tin rằng trong một số tình huống ứng dụng, có các yêu cầu đáng kể đối với pin công suất cao, các tình huống như xe nâng điện và AGV. Vì mối quan tâm về độ bền và các thuộc tính của công cụ sản xuất, cũng cần giải quyết các vấn đề về tuổi thọ chu kỳ và hiệu suất ở nhiệt độ thấp cùng một lúc. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các chất điện giải thế hệ tiếp theo sẽ được tiếp tục. Nhưng đó vẫn là mối quan tâm và cạnh tranh đa chiều về hiệu suất, chi phí, và độ an toàn; và các thị trường cuối cùng sẽ đưa ra lựa chọn của riêng họ.

Người giới thiệu:

1. Zheng, Honghe; Qunting; Zhang, Li; Liu, Gao; Battaglia, Vincent (2012). "Carbon cứng: cực dương của pin lithium-ion đầy hứa hẹn cho các ứng dụng nhiệt độ cao với chất điện phân ion". Ứng trước RSC. Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. (11): 4904–4912. doi: 10.1039 / C2RA20536J. Truy cập ngày 8 tháng 8 năm 2020.
2. Kamiyama, Azusa; Kubota, Kei; Nakano, Takeshi; Fujimura, Shun; Shiraishi, Soshi; Tsukada, Hidehiko; Komaba, Shinichi (2020-01-27). "Carbon cứng dung lượng cao được tổng hợp từ nhựa Phenolic Macroporous cho pin Natri-Ion và Kali-Ion". Vật liệu Năng lượng Ứng dụng ACS. Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ. 3: 135–140. doi: 10.1021 / acsaem.9b01972.
3. Khosravi, Mohsen; Bashirpour, Neda; Nematpour, Fatemeh (2013-11-01). "Tổng hợp Carbon cứng làm vật liệu cực dương cho pin Lithium Ion". Nghiên cứu vật liệu nâng cao. 829: 922–926. doi: 10.4028 / www.scientific.net / AMR.829.922. S2CID 95359308. Truy cập ngày 28 tháng 8 năm 2020.
4. Goriparti, Subrahmanyam; Miele, Ermanno; De Angelis, Francesco; Di Fabrizio, Enzo; Proietti Zaccaria, Remo; Capiglia, Claudio (2014). "Đánh giá về tiến bộ gần đây của vật liệu anốt cấu trúc nano cho pin Li-ion". Tạp chí Nguồn điện. 257: 421–443. Mã bib: 2014JPS ... 257..421G. doi: 10.1016 / j.jpowsour.2013.11.103.
5. Irisarri, E; Ponrouch, A; Palacín, MR (2015). "Đánh giá-Vật liệu điện cực âm cacbon cứng cho pin natri-ion". Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa. 162: A2476. doi: 10.1149 / 2.0091514jes.
6. Dou, Xinwei; Hasa, Ivana; Saurel, Damien; Vaalma, Christoph; Wu, Liming; Buchholz, Daniel; Thợ trang điểm, Dominic; Komaba, Shinichi; Passerini, Stefano (2019). "Cacbon cứng cho pin natri-ion: Cấu trúc, phân tích, tính bền vững và điện hóa học". Vật liệu Ngày nay. 23: 87–104. doi: 10.1016 / j.mattod.2018.12.040