隨著市場發展，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。據外媒報道，阿科瑪集團（Arkema）的電池解決方案可以滿足其中很多要求。電極材料的研究進展解決了能量密度問題，而全新電解質系統可以顯著提高壽命和功率性能。尤其是LiFSI，有望成為LiPF6的優質替代品之一，用作電解液中的鋰鹽。

（圖片來源：chargedev）

 

目前，LiFSI主要用作電解質中的添加劑，而LiPF6仍是主要鋰鹽。少量LiFSI通過與固體電解質界面膜相互作用，提高低溫性能、壽命和存儲穩定性。

 

此外，使用LiFSI大量代替LiPF6，可以獲得更好的性能。用LiFSI代替LiPF6，可以實現更高的離子電導率（圖1a）和更高的電解質遷移數。因此，比起基于LiPF6的電解質，在NMC811/石墨電芯中，基于LiFSI的電解質，具有更高的倍率性能（圖1b）。

圖1：LiFSI電解質溶液的離子電導率和倍率性能

 

增加LiFSI/LiPF6的比率，可提高45°C下的壽命以及存儲老化（Calendar Aging，隨時間發生的容量損耗），這是因為LiFSI具有更高的熱穩定性和化學穩定性，比LiPF6產生的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。經過200次循環后，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，其容量恢復能力更高。

圖 2：LiFSI電解質的容量保持率和存儲老化

 

LiFSI的另一優點在于其高溶解度，有利于形成高濃度電解液。這種電解質日益受到關注，因其鹽/溶劑配位結構可以緩解甚至抑制電解液的易燃性、高壓分解，以及鋰金屬負極上的枝晶生長。

 

在1M LiFSI in DME下，以0.5 mA/cm²的電流密度進行枝晶測試，經過連續幾天的鋰剝離和電鍍后，觀察到枝晶生長，如同通過增強電芯極化所揭示的（圖 3a）。另一方面，在高濃度電解質（4M LiFSI in DME）中，由于鋰金屬上形成了更穩定和緊湊的富鋰固態電解質膜（SEI），枝晶生長受到抑制（圖 3b）。

 

圖3：LiFSI在鋰金屬負極電芯的性能表現

 

值得一提的是，當使用更高濃度的LiFSI，而不僅僅將其作為添加劑時，LiFSI鹽的純度具有重要意義。尤其是合成過程中產生的氟、硫酸鹽或氯等某些離子，會通過不同機制對電池性能產生不利影響，即使數量很小，如百萬分之幾。這會增加電解液在高壓下的副反應，在SEI中相互作用，導致鍍鋰，甚至引起鋁集流器腐蝕。

 

阿科瑪正在生產超高純度產品——FORANEXT®商標下的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下非常穩定。

圖4：4.4V計時電流法

 

為了將FORANEXT® LiFSI與市場上的其他LiFSI進行比較，研究人員測量LiFSI水溶液中的pH值。在循環或儲存過程中，酸性物質的存在可能導致形成HF，從而降低pH值，隨著時間推移，純度也會降低。在循環后，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表現出最佳性能（圖 5）。由于容量保持率取決于特定雜質的性質，pH值和容量保持率之間并不總存在直接聯系。然而，通過減少雜質總量， FORANEXT® LiFSI經過200次循環后表現出最佳容量保持率。由此可以看出，大規模取代LiPF6時，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，用于開發能量密度更高的新鋰離子電池技術（如鋰金屬電池）。對于其中LiFSI濃度高于添加劑量的應用，使用超高純度LiFSI才能實現最佳性能，如FORANEXT LiFSI。