باتری‌های لیتیوم-گوگرد: مزیت مایع یونی برای ذخیره‌سازی انرژی نسل بعدی

مهندسان باتری که شیمی سلولی را برای یک برنامه پس از لیتیوم-یون ارزیابی می‌کنند، معمولاً با یک سوال شروع می‌کنند: آیا می‌توانیم بدون شرط‌بندی روی یک سیستم حالت جامد که در مقیاس بزرگ ارسال نشده است، فراتر از 400 Wh/kg برسیم؟ باتری های لیتیوم-گوگرد (Li-S) در اصل به این سوال پاسخ می دهند، اما علم شیمی به جوان مردن شهرت دارد. علت تنها کاتد گوگرد نیست. این الکترولیت و برهمکنش آن با آند لیتیوم-فلز است. مایعات یونی هر دو مشکل را به گونه‌ای حل می‌کنند که الکترولیت‌های معمولی اتر یا کربنات نمی‌توانند، و امروزه در مقادیر صنعتی از تولیدکنندگانی مانند Ldet Energy در دسترس هستند. این ترکیبی از تناسب فنی و واقعیت عرضه به همین دلیل است که Li-S یکی از کاربردی‌ترین شیمی‌های نسل بعدی باقی می‌ماند، مشروط بر اینکه الکترولیت به جای قرض گرفتن از قالب سلولی دیگر مهندسی شود.

چرا باتری های Li-S هنوز ارزش مشخص کردن دارند؟

با اعدادی که برای طراحی سیستم مهم هستند شروع کنید. انرژی ویژه تئوریک زوج ردوکس گوگرد به لیتیوم-سولفید تقریباً 2600 Wh/kg است که پنج تا ده برابر ارزش عملی سلول‌های لیتیوم یونی امروزی است. حتی پس از ناکارآمدی‌های واقعی مانند الکترولیت اضافی، کربن رسانا، جرم جداکننده و سخت‌افزار کیسه‌ای، بسته‌های کاربردی Li-S به طور مکرر برای اهداف 400 تا 600 Wh/kg طراحی می‌شوند. گوگرد دارای ظرفیت تئوری 1675 میلی آمپر بر گرم است و سلول در حدود 2.15 ولت در مقابل Li/Li تخلیه می شود. برای تیم‌های تدارکات، واقعیت‌های به همان اندازه مهم این است که گوگرد فراوان، ارزان و عاری از کبالت و نیکل است که هم گلوگاه‌های زنجیره تامین و هم نگرانی‌های مربوط به منابع مسئول را برطرف می‌کند.

هیچ کدام از اینها جدید نیست. تحقیقات Li-S چندین دهه را در بر می گیرد و دلیل اینکه شیمی جایگزین لیتیوم یون نشده است، یک مشکل چرخه عمر است که ریشه در رفتار الکترولیت دارد. نکته کلیدی برای هر کسی که یک نمونه اولیه یا نقشه راه محصول را برنامه ریزی می کند این است که مکانیسم خرابی به خوبی درک شده است و طراحی الکترولیت، نه معماری الکترود قهرمانانه، مستقیم ترین راه حل است.

چهار مانع که عمر چرخه Li-S را کنترل می کنند

یک سلول Li-S به چهار روش به هم پیوسته از کار می افتد. درک آنها قبل از نوشتن مشخصات، تفاوت بین نمایش 50 چرخه و محصول 500 چرخه است.

جدول را به عنوان نمای سیستم بخوانید. هر مانعی دارای یک اقدام متقابل سمت الکترولیت است، به همین دلیل است که اکثر برنامه های توسعه Li-S اکنون زمان بیشتری را صرف فرمولاسیون الکترولیت می کنند تا سنتز کاتد به تنهایی.

مایعات یونی چه کمکی می کنند که الکترولیت های معمولی نمی توانند

نتیجه گیری اول: مایعات یونی سیستم Li-S را در رابط ثابت می کنند، نه فقط در حجم. ترکیبات مرسوم دیوکسولان و دی متوکسی اتان به این دلیل انتخاب می شوند که پلی سولفیدها را حل می کنند و همین ویژگی شاتل را به حرکت در می آورد. الکترولیت های کربنات به نوبه خود به واسطه های پلی سولفید حمله می کنند و به طور موثر غیر قابل استفاده هستند. مایعات یونی فضای طراحی متفاوتی را اشغال می‌کنند، زیرا کاتیون و آنیون به طور مستقل برای کنترل قدرت حل‌پذیری، پنجره الکتروشیمیایی و فاز میانی الکترولیت جامد انتخاب می‌شوند.

سه ویژگی در عمل بیشترین اهمیت را دارند:

• پنجره گسترده الکتروشیمیایی بیشتر مایعات یونی در برابر لیتیوم / لیتیوم در بالای 4.5 ولت پایدار می مانند و بسیاری از آنها به راحتی بر روی فلز لیتیوم تجزیه نمی شوند، که یک نیاز اساسی برای آند Li-S است.
• غیر قابل اشتعال و فشار بخار نزدیک به صفر. این یک مزیت ایمنی معنادار نسبت به ترکیبات فرار اتر است و اعتبارسنجی در سطح سیستم را ساده می کند.
• برهمکنش پلی سولفید قابل تنظیم کاتیون های پیرولیدینیم و پیپریدینیم نسبت به کاتیون های ایمیدازولیوم نسبت به پلی سولفیدهای نوکلئوفیل واکنش بسیار کمتری دارند، در حالی که آنیون های TFSI و FSI نسبت به همان نمک لیتیوم به تنهایی در یک حلال اتری، شاتل را به طور موثرتری کاهش می دهند.

خانواده های کاتیون و آنیون ارزش آزمایش دارند

انتخاب عملی در برنامه Li-S معمولاً بین نمک ایمیدازولیوم با ویسکوزیته پایین و کاتیون حلقوی پایدارتر است. جدول آنچه را که هر خانواده به یک ماتریس آزمایشی نیمه سلولی یا کیسه ای می آورد، خلاصه می کند.

ویسکوزیته پایین دلیل اصلی شروع تیم فرمولاسیون با 1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس(فلوروسولفونیل) ایمید یا EMIM-FSI است. در دمای اتاق به خوبی هدایت می شود و آنیون FSI یک SEI دوستدار لیتیوم را فراهم می کند. برای سلول‌هایی که نرخ تخلیه را بر حداکثر چگالی انرژی اولویت می‌دهند، الکترولیت‌های مبتنی بر EMIM-FSI یکی از سریع‌ترین راه‌ها برای بهبود استفاده از گوگرد هستند.

مایع یونی 1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس (فلوروسولفونیل) ایمید (EMIM-FSI) ویسکوزیته پایین هدایت خوبی در دمای اتاق را امکان پذیر می کند، در حالی که آنیون FSI به شکل گیری یک SEI دوستدار لیتیوم کمک می کند و آن را به یک نامزد قوی برای فرمولاسیون الکترولیت لیتیوم-گوگرد با نرخ بالا تبدیل می کند. مشاهده محصول →

هنگامی که هدف عمر چرخه طولانی در سمت آند است، کاتیون پیپریدینیم انتخاب محافظه کارانه تری است. 1-Butyl-1-methylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide، که اغلب به اختصار PP14-TFSI نامیده می شود، از نظر الکتروشیمیایی در طیف وسیعی از دما پایدار می ماند و در عین حال مهاجرت پلی سولفید را کنترل می کند.

مایع یونی 1-بوتیل-1- متیل پیپریدینیوم بیس (تری فلورومتیل سولفونیل) ایمید (PP14-TFSI) پیپریدینیم cation provides wide-temperature electrochemical stability and helps control polysulfide migration, offering a conservative choice for long-cycle-life anode-side electrolyte designs. مشاهده محصول →

تعیین گریدهای مایع یونی: آنچه که تدارکات باید بپرسد

خلوص درجه باتری با خلوص کاتالوگ یکسان نیست. برای کار Li-S، محتوای آب، باقیمانده هالید و مسیر مصنوعی خود بیش از سنجش تبلیغ شده اهمیت دارد. آب حتی با چند صد پی پی ام با فلز لیتیوم و آنیون های FSI واکنش می دهد و هیدروژن فلوراید تولید می کند و مواد فعال را مصرف می کند.

• محتوای آب توسط کارل فیشر محدودیت پذیرش دسته ای را نزدیک به 300 ppm تنظیم کنید و اندازه گیری را در گواهی تجزیه و تحلیل بخواهید.
• باقیمانده هالید کلرید و برمید را کمتر از 500 ppm نگه دارید، زیرا هالیدها خوردگی لیتیوم-آند را تسریع می کنند حتی زمانی که نمک اصلی LiTFSI با درجه باتری باشد.
• خلوص کاتیونی تأیید کنید که محصولات جانبی دیالکیلیمیدازولیوم کنترل می شوند. آنها بر ویسکوزیته تأثیر می گذارند و می توانند شیمی SEI را تغییر دهند.
• مستندات ویسکوزیته مقدار ویسکوزیته در 25 درجه سانتیگراد، یک پروکسی ارزان و قابل اعتماد برای قوام دسته به دسته است.

مبادله بین آنیون های FSI و TFSI سزاوار ارزیابی صریح است. FSI غیرفعال سازی لیتیوم-فلز بهتر و ویسکوزیته کمتر را ارائه می دهد. TFSI پایداری حرارتی و هیدرولیتیکی بالاتری را فراهم می کند. یک برنامه آزمایش جدی هر دو گزینه را در 20 تا 50 درصد وزنی در الکترولیت باز نگه می دارد به جای اینکه قبل از وجود داده ها به یک آنیون متعهد شود. برای آزمایش دمای بالا، 1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس(تری فلورومتیل سولفونیل) ایمید یک نمک TFSI با ویسکوزیته کم است که مزایای حمل ایمیدازولیوم را حفظ می کند و در عین حال فضای سر حرارتی را اضافه می کند.

1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس (تری فلورومتیل سولفونیل) ایمید (EMIM-TFSI) مایع یونی مزایای استفاده از ایمیدازولیوم را با پایداری حرارتی و هیدرولیتیک بالاتر TFSI ترکیب می کند و به عنوان گزینه ای با ویسکوزیته پایین برای ارزیابی الکترولیت در دمای بالا و آزمایش آنیون مقایسه ای عمل می کند. مشاهده محصول →

فراتر از نمک های مونومر، مایعات یونی پلیمری همچنین در تحقیقات باتری و ابرخازن، به ویژه هنگامی که پایداری مکانیکی پوشش سمت جداکننده نگران کننده است، نویدبخشی را نشان داده اند.

نقشه راه صلاحیت: از سلول ارزیابی تا پایلوت

مقادیر ارزیابی را از یک تامین کننده با کنترل سنتز خریداری کنید، نه یک توزیع کننده که سهام کالا را دوباره می فروشد. توسعه الکترولیت Li-S با تغییر یک متغیر در یک زمان کار می کند، و اگر مشخصات ناخالصی مایع یونی بین دسته ها جابجا شود، تفسیر داده های چرخه عمر غیرممکن می شود.

1. قبل از اولین خرید، گواهی آنالیز و ردیابی هالید کروماتوگرافی یونی را درخواست کنید.
2. یک ارزیابی سه نقطه ای انجام دهید: حلالیت در الکترولیت پایه، آبکاری لیتیوم و جداسازی در یک سلول متقارن، و آزمایش سلول سکه ای 100 چرخه در برابر خط پایه فعلی شما.
3. تحمل سنتز سفارشی را تأیید کنید. هیچ دو تیم Li-S فرمول‌های یکسانی را اجرا نمی‌کنند و تامین‌کننده‌ای که می‌تواند گریدهای کم هالید یا ترکیب‌های آنیونی جایگزین تولید کند، ماه‌ها کار غربالگری حلال را در شما صرفه‌جویی می‌کند.
4. در مورد معیارهای پذیرش دسته ای از قبل مذاکره کنید، از جمله آب، هالید، سنجش و رنگ، و بررسی کنید که همان معیارها از افزایش مقیاس از کیلوگرم آزمایشگاه به مقادیر آزمایشی باقی می مانند.

Ldet Energy یکی از تامین کنندگانی است که با این مشخصات مطابقت دارد. این شرکت از زمان تاسیس خود در سال 2009، مایعات یونی را در مقیاس صنعتی تولید کرده است، کاتالوگی شامل ایمیدازولیوم، پیرولیدینیم، پیپریدینیم، پیریدینیم و ساختارهای آمونیوم چهارتایی ارائه می‌دهد و افزودنی‌های الکترولیت باتری محور خود را در نمایشگاه‌های بین‌المللی باتری ارائه کرده است. از آنجایی که پروژه‌های سنتز سفارشی را نیز می‌پذیرد، تیم‌های تحقیق و توسعه می‌توانند یک ساختار خاص را به جای یک نمونه کاتالوگ عمومی آزمایش کنند. به در مورد نیازهای تحلیلی و افزایش مقیاس بحث کنید ، تیم های تدارکات می توانند مستقیماً با کادر فنی Ldet کار کنند.

باتری Li-S در همه جا جایگزین لیتیوم یون نمی شود، اما برای کاربردهای مبتنی بر چگالی انرژی مانند هوانوردی، دفاع و قدرت قابل حمل طولانی مدت، احتمال رسیدن به تولید شیمی بسیار زیاد است. الکترولیت تصمیم می گیرد که آیا سلول موفق شود یا خیر، و مایعات یونی قابل اعتمادترین پلت فرم الکترولیت موجود در مقیاس صنعتی امروزه هستند. گام بعدی مرور ادبیات دیگری نیست. در حال سفارش 100 گرم مایع یونی مناسب و ساخت یک مجموعه داده 100 چرخه است.