​LiTDI: Arkema - добавка к электролиту для продления срока службы батареи и быстрой зарядки

-
20:45
130
​LiTDI: Arkema - добавка к электролиту для продления срока службы батареи и быстрой зарядки

В связи с ростом спроса на литий-ионные батареи на рынке электромобилей активизируются исследования по разработке новых электролитов, которые не только обеспечивают производительность, срок службы и безопасность батарей, но и позволяют использовать высокоэнергетические анодные материалы, такие как кремний, и катодные материалы, такие как NMC 811. Высокая чистота электролитных компонентов имеет решающее значение для смягчения как боковых реакций, так и преждевременной деградации батареи. Новая добавка Arkema к электролитам, LiTDI, не только увеличивает срок службы батареи и быструю зарядку, но и решает эти вопросы чистоты и стабильности с помощью материалов высокой емкости батарей, необходимых для электролитных батарей.

LiTDI, литий 4,5-дициано-2-(трифторметил) имидазол, был впервые обнаружен в Варшавском технологическом университете (WUT). Его синтез и очистка были предметом сотрудничества между WUT, CRNS (Французский национальный центр научных исследований) и Университетом Амьена, Франция. Как член команды Мишеля Арманда в Университете Амьена, доктор Грегори Шмидт начал исследовать преимущества этой литиевой соли в литий-ионных батареях. Исследования доктора Шмидта были сосредоточены как на синтезе, так и на рецептуре электролита, демонстрируя, что эта литиевая соль будет иметь большую ценность для электролитов, если ее использовать в качестве добавки. После двух лет прикладных исследований и разработок в компании Amiens, он вернулся в Arkema, чтобы включить эту молекулу в сильную платформу Arkema по разработке решений в области аккумуляторов и возобновляемых источников энергии.

Литий TDI сочетает в себе множество преимуществ. Его молекулярная структура специально разработана для обеспечения высокой электрохимической стабильности, а также хорошей ионной диссоциации. Во-первых, имидазольное кольцо облегчает делокализацию отрицательного заряда через резонансный эффект. Во-вторых, две нитриловые группы имеют оптимизированное соотношение электроотрицательности и веса, что дополнительно способствует диссоциации положительного заряда. Наконец, CF3-группа, присоединенная к имидазольному кольцу, обеспечивает электрохимическую стабильность. Циклические вольтамперологические исследования не показывают реакционной способности молекулы до 4,6 ~ 4,7 В. Кроме того, молекула чрезвычайно термически стабильна, разрушаясь только при температурах выше 250°C, как показывают исследования DSC. В результате, молекула является отличным выбором для долговечных литий-ионных батарей, работающих при высоком напряжении и высокой температуре.

Помимо присущей ей стабильности, LiTDI действует как большой очиститель влаги внутри электролита: литий-ионная и карбонитрильная группы взаимодействуют с молекулами воды, улавливая их через водородные связи, как подчеркивала команда Сюй в статье, опубликованной в 2017 г. (Xu and all, Chem. Mater.2017.29.5.2254-2263). Такое взаимодействие с молекулами воды эффективно подавило бы гидролиз LiPF5, продукта разложения LiPF6 на аноде, который является сильной кислотой Льюиса, известной как основной источник разложения растворителя электролита. Кроме того, карбонитрильные группы взаимодействуют с молекулами HF, также образующимися в результате разложения LiPF6, для смягчения дальнейших паразитных реакций на катодной стороне. Уменьшая влияние примесей на различные компоненты электролита, добавление всего 1% LiTDI повышает стабильность электролита и, следовательно, увеличивает срок службы батареи.

Еще одним значительным влиянием LiTDI на производительность батареи является его вклад в формирование пассивирующего слоя на алюминиевом токоприемнике. В то время как исследователи пытаются найти альтернативу LiPF6 для высоковольтных применений, коррозия на катодном токоприемнике представляется проблемой, тем самым увеличивая внутреннее сопротивление и уменьшая емкость катода. Эта стабильная защита алюминия, созданная LiTDI (Paillet and all, J. Power Sources, 2015, 299, 309), увеличивает срок службы батарей, содержащих новые электролиты на основе альтернативных солей, таких как LiFSI, поддерживая внедрение высоковольтных электродов, таких как NMC 622.

Наконец, перечень свойств LiTDI не будет исчерпывающим, если не подчеркнуть важную роль, которую он играет в формировании и стабилизации интерфейса твердого электролита (SEI), защищая анод от реакций распада с органическими растворителями. В сочетании с традиционными добавками SEI, такими как FEC или VC, LiTDI способствует росту минеральной фазы LiF путем дефторирования группы CF3, одновременно способствуя образованию полимерной фазы (Шкроб и др., J. Phys. Chem. C 2016, 120, 50, 28463-28471). Полученный SEI является более тонким, сшитым и прочным, что приводит к снижению удельного сопротивления и уменьшению начальной потери мощности. Такие явления наблюдаются не только на графитовых анодах, но и на анодах на кремниевой основе, где роль добавок SEI еще более важна для срока службы батареи и ее внутреннего сопротивления.

Как следствие всех электрохимических преимуществ, проиллюстрированных выше, ячейки, содержащие LiTDI в качестве присадки, в синергии с традиционными добавками SEI демонстрируют значительное улучшение характеристик быстрого заряда и разряда благодаря снижению импеданса ячеек. Кроме того, чистота и стабильность электролита, обеспечиваемая этой солью, позволяет осуществлять высокотемпературное циклирование (>45°C) традиционных электролитов. Наконец, LiTDI является отличной добавкой к электролитам, позволяющей значительно продлить срок службы батареи не только для графитовых анодов, но и для анодов на кремниевой основе.

RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...