随着市场发展，锂离子电池需要具有更高的能量密度、更长的使用寿命和更高的功率表现。据外媒报道，阿科玛集团（Arkema）的电池解决方案可以满足其中很多要求。电极材料的研究进展解决了能量密度问题，而全新电解质系统可以显著提高寿命和功率性能。尤其是LiFSI，有望成为LiPF6的优质替代品之一，用作电解液中的锂盐。

（图片来源：chargedev）

 

目前，LiFSI主要用作电解质中的添加剂，而LiPF6仍是主要锂盐。少量LiFSI通过与固体电解质界面膜相互作用，提高低温性能、寿命和存储稳定性。

 

此外，使用LiFSI大量代替LiPF6，可以获得更好的性能。用LiFSI代替LiPF6，可以实现更高的离子电导率（图1a）和更高的电解质迁移数。因此，比起基于LiPF6的电解质，在NMC811/石墨电芯中，基于LiFSI的电解质，具有更高的倍率性能（图1b）。

图1：LiFSI电解质溶液的离子电导率和倍率性能

 

增加LiFSI/LiPF6的比率，可提高45°C下的寿命以及存储老化（Calendar Aging，随时间发生的容量损耗），这是因为LiFSI具有更高的热稳定性和化学稳定性，比LiPF6产生的HF更少。

 

在电解液中加入较高浓度的LiFSI(1wt%、4wt%和10wt%)，剩余的盐为LiPF6。经过200次循环后，NMC532/石墨电芯的容量保持率有所提高(图2a)。

 

在电解液中加入10wt%的LiFSI，而不4wt%(图2b)。然后，在70°C、100% SOC的条件下，将NMC/石墨电芯保存两周，其容量恢复能力更高。

图 2：LiFSI电解质的容量保持率和存储老化

 

LiFSI的另一优点在于其高溶解度，有利于形成高浓度电解液。这种电解质日益受到关注，因其盐/溶剂配位结构可以缓解甚至抑制电解液的易燃性、高压分解，以及锂金属负极上的枝晶生长。

 

在1M LiFSI in DME下，以0.5 mA/cm²的电流密度进行枝晶测试，经过连续几天的锂剥离和电镀后，观察到枝晶生长，如同通过增强电芯极化所揭示的（图 3a）。另一方面，在高浓度电解质（4M LiFSI in DME）中，由于锂金属上形成了更稳定和紧凑的富锂固态电解质膜（SEI），枝晶生长受到抑制（图 3b）。

 

图3：LiFSI在锂金属负极电芯的性能表现

 

值得一提的是，当使用更高浓度的LiFSI，而不仅仅将其作为添加剂时，LiFSI盐的纯度具有重要意义。尤其是合成过程中产生的氟、硫酸盐或氯等某些离子，会通过不同机制对电池性能产生不利影响，即使数量很小，如百万分之几。这会增加电解液在高压下的副反应，在SEI中相互作用，导致镀锂，甚至引起铝集流器腐蚀。

 

阿科玛正在生产超高纯度产品——FORANEXT®商标下的LiFSI盐。这种盐即使在没有LiPF6的情况下也能有效钝化铝(图4)；在4.4V的Li/Al纽扣电芯中测得的残余电流非常低，在EC/EMC（3:7,vol.）中1M LiFSI下非常稳定。

图4：4.4V计时电流法

 

为了将FORANEXT® LiFSI与市场上的其他LiFSI进行比较，研究人员测量LiFSI水溶液中的pH值。在循环或储存过程中，酸性物质的存在可能导致形成HF，从而降低pH值，随着时间推移，纯度也会降低。在循环后，比较由不同LiFSI来源制成的水溶液中的pH值和容量保持率，超高纯度FORANEXT® LiFSI表现出最佳性能（图 5）。由于容量保持率取决于特定杂质的性质，pH值和容量保持率之间并不总存在直接联系。然而，通过减少杂质总量， FORANEXT® LiFSI经过200次循环后表现出最佳容量保持率。由此可以看出，大规模取代LiPF6时，需要使用超高纯度LiFSI。

图5：不同LiFSI来源的pH值和容量保持率

 

总的来说，在电解质中，用LiFSI部分取代LiPF6，可以提高锂离子电池的倍率性能和容量保持性能。LiFSI也有望成为LiPF6的替代品，用于开发能量密度更高的新锂离子电池技术（如锂金属电池）。对于其中LiFSI浓度高于添加剂量的应用，使用超高纯度LiFSI才能实现最佳性能，如FORANEXT LiFSI。