LiTFSI(双三氟甲烷磺酰亚酰胺锂)锂盐热稳定性优异,但通常会腐蚀铝箔。为解决这一问题,Matsumoto等将LiTFSI锂盐浓度提高,配制了1.8mol/LLiTFSIm(EC)∶m(DEC)=3:7电解液,使用铝工作电极时其电化学窗口达到了4.5V。通过分析得到由于在高浓度电解液中,铝箔表面形成一层氟化锂LiF钝化层,成功抑制了铝箔的腐蚀。Wang等研究了高浓度的LiN(SO2F)2(LiFSA)/碳酸二甲酯(DMC)电解液体系,其可形成三维网络状结构,从而在5V电压条件下有效阻止过渡金属和铝的溶解,高电压石墨C/LiNi0.5Mn1.5O4电池具有优异的循环性能。在10mol/LLiFSI-DMC高浓度电解液中,由于其可形成含氟量较高的界面保护层,在充电电压达到4.6V时,经过100次循环后,Li/NMC622电池保持了86%的初始放电容量。高浓度电解液具有高的抗氧化还原性,高载流子密度,可抑制铝箔腐蚀,热稳定性好等优点,具有应用于高电压电解液的潜力。然而其也存在不足,如电导率较低、成本较高等,如何提高电导率,降低成本,是推动高浓度电解液实用化进程的关键。双三氟甲烷磺酰亚胺锂作为锂电解质锂盐,水分要小于100ppm,一般在40ppm左右,才可以使用。天津双三氟甲烷磺酰亚胺锂材料
吉林大学孙俊奇教授研究小组报道了一种具有自修复性能和高离子导电率的柔性固态凝胶电解质。该凝胶电解质由含有2-脲基-4[H]啶酮(UPy)基团的聚离子液体,咪唑类离子液体和锂盐(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)的**溶液经溶剂挥发和热压的方法制备而成。其中,UPy基团间的四重氢键将聚离子液体交联从而形成了稳定的聚离子液体网络。同时,由于聚离子液体和离子液体的相容性和静电相互作用,上述聚离子液体网络可以负载大量的离子液体(离子液体为聚离子液体质量的3.5倍)从而形成了固态的离子液体凝胶(Ionogel)电解质。该凝胶电解质的离子导电率高达1.41×10-3S/cm,同时表现出良好的柔性、弹性和优异的不可燃烧性质。基于该凝胶电解质组装的Li|Ionogel|LiFePO4电池表现出了良好的充放电循环性能,该电池在0.2C倍率下循环120周期后的放电容量和库伦效率分别为147.5mAh g-1和99.7%,上述性能均优于同等条件下以离子液体或传统的液态电解液作为电解质所组装的电池。新疆智能双三氟甲烷磺酰亚胺锂双三氟甲烷磺酰亚胺锂的化学成分。
斯坦福大学崔屹教授课题组设计了一种防火、超轻的固态聚合物电解质(SSE)以提高锂电池的安全性。该聚合物固态电解质以多孔聚酰亚胺(PI)作为机械增强框架材料,添加阻燃剂(十溴二苯乙烷,DBDPE)和离子导电聚合物电解质(聚环氧乙烷/双三氟甲烷磺酰基锂,PEO/LiTFSI)。聚合物固态电解质由轻质有机材料制成,具有可调节的膜厚度(10–25 μm),与传统的隔膜/液体电解质相比,具有更高的能量密度。该聚合物框架PI/DBDPE具有良好的热稳定性,在350 ℃时也没有观察到化学成分与形貌的变化。多孔PI/DBDPE膜的杨氏模量为440 MPa,比PEO/LiTFSI膜的杨氏模量(0.1 MPa)高出近4个数量级,证明了其具有优异的机械强度。添加了离子导体PEO/LiTFSI之后,整个电解质表现出了非常好的防火性能。制成的Li/Li 对称电池循环了300小时不短路,LiFePO4/ Li半电池在60 °C下表现出高速率性能(在1 C下为131 mAh g-1)和循环性能(在C/2速率下300个循环)。此外,该固态聚合物电解质制成的软包电池在火焰测试下仍然可以工作,体现出优异的耐高温特性。
PDES-CPE的制备过程示意图。将四种固体粉末:丁二腈(SN)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)和一种合成的单体甲基丙烯酸(2-(((2-氧代-1,3-二氧戊烷基-4-基)甲氧基)甲酰胺基))-乙酯(CUMA)均匀混合得到熔融的前驱体,加入具有正极、负极、隔膜的电池中,在60 ℃充分聚合得到含有PDES-CPE的电池。通过截面扫描电镜图和能谱图看出,正极和电解质呈现出紧密的接触,原位聚合的电解质可以均匀渗透到工业水平的正极(70 μm,26 mg/cm2)中,有益于界面阻抗的降低和界面的离子传输。根据PDES-CPE聚合前后的1H核磁共振谱,通过聚合后的单体和残余单体所对应的峰的积分面积计算,得出PDES-CPE的聚合转化率高达99.8 %(图1c)。CUMA中的甲基丙烯酸酯结构在聚合时具有快速的链增长动力学性能,且其聚合物自由基中间体与SN或锂盐之间的链转移反应较少;另外,CUMA较短的链长使得其在链增长过程中反应活化能较低,决定了PDES-CPE的高聚合转化率。双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)作为主盐溶解于一种新型磷酸酯主溶剂。
锂盐的种类非常多,但考虑到溶解度和稳定性等具体要求能应用于锂离子电池的锂盐种类比较有限,常见的应用于锂离子电池的锂盐种类如表2所示。双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)具有较高的溶解度和高的化学稳定性,同时,具有高的离子电导率和宽的电化学窗口。在20世纪90年代,3M公司率先将此盐实现了商业化,作为动力电池电解液的功能添加剂使用,具有改善正负极SEI膜,稳定正负极界面,抑制气体的产生,改善高温性能和循环性等多种功能。在WIS体系中将LiTFSI作为主体锂盐是因为:其在水溶液中有较高的溶解度(>20mol/kg,25°C)和其在水溶液中不水解具有高的化学稳定性。双三氟甲基磺酰亚胺锂可用于制备锂电池的电解质以及新型稀土路易斯酸催化剂。天津双三氟甲烷磺酰亚胺锂材料
双三氟甲烷磺酰亚胺锂的分子量。天津双三氟甲烷磺酰亚胺锂材料
电池中的硫正极与电解液直接接触,因此在循环过程中会形成多硫化物,并诱导多硫化物溶解和穿梭。在锂为负极、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)为溶质的电池中,研究了高浓度、常规和稀释电解液对电池性能的影响。充放电曲线为典型的锂硫电池曲线,电压平台较短,对应Sg→Li2S4的转变;低电压的平台较长,对应Li2S4-→Li2S的转变。在标准的1M电解液中C/10的倍率,硫正极可表现出1265mAh.g-1的比容量、第二个放电平台电压约为2.1V(电压迟滞~0.15V)。但当倍率增加到2C时,放电容量降为650mAh.g-1(为初始容量的50%),放电平台降为1.8V(电压迟滞~0.65V),说明存在溶解/穿梭效应从而导致锂硫电池中倍率性能受限。电解液浓度增加时,高倍率下容量***降低,电压滞后明显增加。高浓度电解液1C-2C倍率下,几乎无法区分出两个放电平台,说明高浓度电解液中反应动力学较差。当电解液浓度为1M和2M时,200次循环后均出现明显的容量衰减(~65%),即第200圈充放电*能释放~600mAhg-1的容量。在0.1M的电解液中,电池表现出了优异的电化学性质,循环200个周期后的容量保持率为~95%,说明稀释电解液后的锂硫电池中多硫化物穿梭、负极表面不可逆的Li2S沉积和电阻的增长均变小。天津双三氟甲烷磺酰亚胺锂材料