隨著市場(chǎng)發(fā)展，鋰離子電池需要具有更高的能量密度、更長(zhǎng)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L(zhǎng)iPF6的優(yōu)質(zhì)替代品之一，用作電解液中的鋰鹽。

（圖片來源：chargedev）

 

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(zhǎng)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L(zhǎng)iPF6。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(zhǎng)。

 

在1M LiFSI in DME下，以0.5 mA/cm²的電流密度進(jìn)行枝晶測(cè)試，經(jīng)過連續(xù)幾天的鋰剝離和電鍍后，觀察到枝晶生長(zhǎng)，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(zhǎng)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(duì)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(cè)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(chǎng)上的其他LiFSI進(jìn)行比較，研究人員測(cè)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L(zhǎng)iPF6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(duì)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。