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阿科瑪集團(tuán)推出超高純度鋰鹽LiFSI 可提高電池性能

時(shí)間:2021-06-23 09:08來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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(圖片來源:chargedev)
 
       隨著市場發(fā)展,鋰離子電池需要具有更高的能量密度、更長的使用壽命和更高的功率表現(xiàn)。據(jù)外媒報(bào)道,阿科瑪集團(tuán)(Arkema)的電池解決方案可以滿足其中很多要求。電極材料的研究進(jìn)展解決了能量密度問題,而全新電解質(zhì)系統(tǒng)可以顯著提高壽命和功率性能。尤其是LiFSI,有望成為LiPF6的優(yōu)質(zhì)替代品之一,用作電解液中的鋰鹽。
 
      目前,LiFSI主要用作電解質(zhì)中的添加劑,而LiPF6仍是主要鋰鹽。少量LiFSI通過與固體電解質(zhì)界面膜相互作用,提高低溫性能、壽命和存儲(chǔ)穩(wěn)定性。
 
      此外,使用LiFSI大量代替LiPF6,可以獲得更好的性能。用LiFSI代替LiPF6,可以實(shí)現(xiàn)更高的離子電導(dǎo)率(圖1a)和更高的電解質(zhì)遷移數(shù)。因此,比起基于LiPF6的電解質(zhì),在NMC811/石墨電芯中,基于LiFSI的電解質(zhì),具有更高的倍率性能(圖1b)。
圖1:LiFSI電解質(zhì)溶液的離子電導(dǎo)率和倍率性能
 
      增加LiFSI/LiPF6的比率,可提高45°C下的壽命以及存儲(chǔ)老化(Calendar Aging,隨時(shí)間發(fā)生的容量損耗),這是因?yàn)長iFSI具有更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,比LiPF6產(chǎn)生的HF更少。
 
      在電解液中加入較高濃度的LiFSI(1wt%、4wt%和10wt%),剩余的鹽為LiPF6。經(jīng)過200次循環(huán)后,NMC532/石墨電芯的容量保持率有所提高(圖2a)。
 
       在電解液中加入10wt%的LiFSI,而不4wt%(圖2b)。然后,在70°C、100% SOC的條件下,將NMC/石墨電芯保存兩周,其容量恢復(fù)能力更高。
圖2:LiFSI電解質(zhì)的容量保持率和存儲(chǔ)老化
 
        LiFSI的另一優(yōu)點(diǎn)在于其高溶解度,有利于形成高濃度電解液。這種電解質(zhì)日益受到關(guān)注,因其鹽/溶劑配位結(jié)構(gòu)可以緩解甚至抑制電解液的易燃性、高壓分解,以及鋰金屬負(fù)極上的枝晶生長。
 
       在1M LiFSI in DME下,以0.5 mA/cm²的電流密度進(jìn)行枝晶測試,經(jīng)過連續(xù)幾天的鋰剝離和電鍍后,觀察到枝晶生長,如同通過增強(qiáng)電芯極化所揭示的(圖 3a)。另一方面,在高濃度電解質(zhì)(4M LiFSI in DME)中,由于鋰金屬上形成了更穩(wěn)定和緊湊的富鋰固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI),枝晶生長受到抑制(圖 3b)。
圖3:LiFSI在鋰金屬負(fù)極電芯的性能表現(xiàn)
 
       值得一提的是,當(dāng)使用更高濃度的LiFSI,而不僅僅將其作為添加劑時(shí),LiFSI鹽的純度具有重要意義。尤其是合成過程中產(chǎn)生的氟、硫酸鹽或氯等某些離子,會(huì)通過不同機(jī)制對電池性能產(chǎn)生不利影響,即使數(shù)量很小,如百萬分之幾。這會(huì)增加電解液在高壓下的副反應(yīng),在SEI中相互作用,導(dǎo)致鍍鋰,甚至引起鋁集流器腐蝕。
 
       阿科瑪正在生產(chǎn)超高純度產(chǎn)品——FORANEXT®商標(biāo)下的LiFSI鹽。這種鹽即使在沒有LiPF6的情況下也能有效鈍化鋁(圖4);在4.4V的Li/Al紐扣電芯中測得的殘余電流非常低,在EC/EMC(3:7,vol.)中1M LiFSI下非常穩(wěn)定。
圖4:4.4V計(jì)時(shí)電流法
 
       為了將FORANEXT® LiFSI與市場上的其他LiFSI進(jìn)行比較,研究人員測量LiFSI水溶液中的pH值。在循環(huán)或儲(chǔ)存過程中,酸性物質(zhì)的存在可能導(dǎo)致形成HF,從而降低pH值,隨著時(shí)間推移,純度也會(huì)降低。在循環(huán)后,比較由不同LiFSI來源制成的水溶液中的pH值和容量保持率,超高純度FORANEXT® LiFSI表現(xiàn)出最佳性能(圖 5)。由于容量保持率取決于特定雜質(zhì)的性質(zhì),pH值和容量保持率之間并不總存在直接聯(lián)系。然而,通過減少雜質(zhì)總量, FORANEXT® LiFSI經(jīng)過200次循環(huán)后表現(xiàn)出最佳容量保持率。由此可以看出,大規(guī)模取代LiPF6時(shí),需要使用超高純度LiFSI。
圖5:不同LiFSI來源的pH值和容量保持率
 
       總的來說,在電解質(zhì)中,用LiFSI部分取代LiPF6,可以提高鋰離子電池的倍率性能和容量保持性能。LiFSI也有望成為LiPF6的替代品,用于開發(fā)能量密度更高的新鋰離子電池技術(shù)(如鋰金屬電池)。對于其中LiFSI濃度高于添加劑量的應(yīng)用,使用超高純度LiFSI才能實(shí)現(xiàn)最佳性能,如FORANEXT LiFSI。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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