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LiTDI: 一种延长电池寿命和快速充电的电解质添加剂

发布时间:2020/3/30 阅读:63


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随着电动汽车市场推动对锂离子电池需求的激增,研发新电解质的研究正在加紧进行,这种电解质不仅能确保电池性能、寿命和安全性,还能使高能阳极材料(如硅)和阴极材料(如NMC 811)成为可能。高纯度电解质成分对于减轻电池的副反应和过早退化至关重要。阿科玛Arkema)的新电解液添加剂LiTDI不仅延长了电池寿命和快速充电性能,还解决了电动汽车电池所需的高容量电池材料的纯度和稳定性问题。

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LiTDI,锂4,5-二氰基-2-(三氟甲基)异吡唑首次在华沙工业大学(WUT)发现。LiTDI的合成与提纯是一直由华沙工业大学(WUT)、法国国家科学研究中心(CRNS)与法国亚眠大学(University of Amiens,France)合作的。作为Michel Armand团队在法国亚眠大学的一员,Gregory Schmidt博士最开始研究锂盐在锂电池中的好处。Gregory Schmidt博士的研究注重在合成和电解液配方两方面,证明这种锂盐如果作为添加剂,可以增加电解液的作用。在Amiens进行了两年的应用研究和开发后,Gregory Schmidt博士重回阿科玛,将这种分子整合到阿科玛强大的电池和可再生能源解决方案平台中。 

LiTDI具备多种优点。它的分子结构是特别定制的,以带来巨大的电化学稳定性以及良好的离子解离。首先,异吡唑环通过共振效应有助于负电荷解离。其次,两个腈基组具有优化电阴性/重量比的特性,可以进一步促进正电荷解离。最后,CF3组附属在异吡唑环上,具有电化学稳定性。循环伏安法研究表明,在4.6V-4.7V范围内,该分子无反应。此外,在DSC研究表明,该分子就有极高的热稳定性,仅在250°C以上的温度可降解。因此,这使得该分子成为在高压和高温下工作的长效锂离子电池的最佳选择。

 

 

清除水分杂质以提高电解质稳定性

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除了其固有的稳定性,LiTDI可以在电解液中起到很好的防潮作用:锂离子和腈基团与水分子相互作用,通过氢键将它们捕获,正如Xu的团队在2017年发表的的一片论文中强调的一样(Xu and all, Chem. Mater.2017.29.5.2254-2263)。这种与水分子的相互作用可以有效抑制LiPF5的水解,LiPF5是LiPF6在阳极分解的产物,被称为电解液溶剂降解的主要来源。另外,此外,腈基与氟化氢分子相互作用,也是LiPF6的降解结果,进一步减轻阴极一侧的寄生反应。通过减少杂质对不同电解质成分的影响,仅添加1%LiTDI可提高电解液的稳定性,从而延长电池寿命。

LiTDI对电池性能的另一个重要影响是它有助于在铝集流体上形成钝化层。当研究人员试图在高电压应用中寻找LiPF6的替代品时,阴极集流体的腐蚀似乎是一个问题,从而增加了内部电阻率并降低了阴极容量。这种由LiTDI (Paillet and all,J. Power Sources,2015,299,309)形成的稳定的铝保护增加了电池的寿命,该电池包含基于替代盐(如LiFSI)的新电解质,支持采用高压电极(如NMC 622)。

 

快速充电时电阻率降低

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最后,如果不强调它在固体电解质界面(SEI)的形成和稳定中的重要作用,保护阳极免受与有机溶剂的降解反应,LiTDI特性的列表将不是详尽的。LiTDI与传统的SEI添加剂(如FEC或VC)结合,通过CF3基团的脱氟作用帮助生长LiF矿物相,同时促进聚合相的形成Shkrob and all, J. Phys. Chem. C 2016, 120, 50, 28463-28471。由此产生的SEI更薄、更交联、更坚固,这转化为更低的电阻率和初始容量损失的减少。这种现象不仅在石墨阳极上观察到,在硅基阳极上也观察到,其中SEI添加剂的作用对于电池寿命和电池内阻甚至更为关键。

 

NMC111在45循环

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作为上述所有电化学益处的结果,含有LiTDI作为添加剂的电池,与传统SEI添加剂协同作用,由于电池阻抗降低,在快速充电和放电性能方面表现出显著的改善。此外,这种盐促进电解质纯度和稳定性提高,使得传统电解质能够进行高温循环(> 45)。最后,LiTDI是一种很好的电解液添加剂,不仅可以显著延长石墨阳极的电池寿命,还可以延长硅基阳极的电池寿命。

 

 

(中国化学与物理电源行业协会  杨柳翻译)