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阿科玛集团推出超高纯度锂盐LiFSI 可提高电池性能

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58京牌 随着市场发展,锂离子电池需要具有更高的能量密度、更长的使用寿命和更高的功率表现。,阿科玛集团(Arkema)的电池解决方案可以满足其中很多要求。电极材料的研究进展解决了能量密度问题,而全新电解质系统可以显著提高寿命和功率性能。尤其是LiFSI,有望成为LiPF6的优质替代品之一,用作电解液中的锂盐。

(图片来源:chargedev)

目前,LiFSI主要用作电解质中的添加剂,而LiPF6仍是主要锂盐。少量LiFSI通过与固体电解质界面膜相互作用,提高低温性能、寿命和存储稳定性。

此外,使用LiFSI大量代替LiPF6,可以获得更好的性能。用LiFSI代替LiPF6,可以实现更高的离子电导率(图1a)和更高的电解质迁移数。因此,比起基于LiPF6的电解质,在NMC811/石墨电芯中,基于LiFSI的电解质,具有更高的倍率性能(图1b)。

图1:LiFSI电解质溶液的离子电导率和倍率性能

增加LiFSI/LiPF6的比率,可提高45°C下的寿命以及存储老化(Calendar Aging,随时间发生的容量损耗),这是因为LiFSI具有更高的热稳定性和化学稳定性,比LiPF6产生的HF更少。

在电解液中加入较高浓度的LiFSI(1wt%、4wt%和10wt%),剩余的盐为LiPF6。经过200次循环后,NMC532/石墨电芯的容量保持率有所提高(图2a)。

在电解液中加入10wt%的LiFSI,而不4wt%(图2b)。然后,在70°C、100% SOC的条件下,将NMC/石墨电芯保存两周,其容量恢复能力更高。

图 2:LiFSI电解质的容量保持率和存储老化

LiFSI的另一优点在于其高溶解度,有利于形成高浓度电解液。这种电解质日益受到关注,因其盐/溶剂配位结构可以缓解甚至抑制电解液的易燃性、高压分解,以及锂金属负极上的枝晶生长。

在1M LiFSI in DME下,以0.5 mA/cm²的电流密度进行枝晶测试,经过连续几天的锂剥离和电镀后,观察到枝晶生长,如同通过增强电芯极化所揭示的(图 3a)。另一方面,在高浓度电解质(4M LiFSI in DME)中,由于锂金属上形成了更稳定和紧凑的富锂固态电解质膜(SEI),枝晶生长受到抑制(图 3b)。

图3:LiFSI在锂金属负极电芯的性能表现

值得一提的是,当使用更高浓度的LiFSI,而不仅仅将其作为添加剂时,LiFSI盐的纯度具有重要意义。尤其是合成过程中产生的氟、硫酸盐或氯等某些离子,会通过不同机制对电池性能产生不利影响,即使数量很小,如百万分之几。这会增加电解液在高压下的副反应,在SEI中相互作用,导致镀锂,甚至引起铝集流器腐蚀。

阿科玛正在生产超高纯度产品——FORANEXT®商标下的LiFSI盐。这种盐即使在没有LiPF6的情况下也能有效钝化铝(图4);在4.4V的Li/Al纽扣电芯中测得的残余电流非常低,在EC/EMC(3:7,vol.)中1M LiFSI下非常稳定。

图4:4.4V计时电流法

为了将FORANEXT® LiFSI与市场上的其他LiFSI进行比较,研究人员测量LiFSI水溶液中的pH值。在循环或储存过程中,酸性物质的存在可能导致形成HF,从而降低pH值,随着时间推移,纯度也会降低。在循环后,比较由不同LiFSI来源制成的水溶液中的pH值和容量保持率,超高纯度FORANEXT® LiFSI表现出最佳性能(图 5)。由于容量保持率取决于特定杂质的性质,pH值和容量保持率之间并不总存在直接联系。然而,通过减少杂质总量, FORANEXT® LiFSI经过200次循环后表现出最佳容量保持率。由此可以看出,大规模取代LiPF6时,需要使用超高纯度LiFSI。

图5:不同LiFSI来源的pH值和容量保持率

总的来说,在电解质中,用LiFSI部分取代LiPF6,可以提高锂离子电池的倍率性能和容量保持性能。LiFSI也有望成为LiPF6的替代品,用于开发能量密度更高的新锂离子电池技术(如锂金属电池)。对于其中LiFSI浓度高于添加剂量的应用,使用超高纯度LiFSI才能实现最佳性能,如FORANEXT LiFSI。

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