แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์: ข้อดีของของเหลวไอออนิกสำหรับการจัดเก็บพลังงานแห่งอนาคต

วิศวกรแบตเตอรี่ที่ประเมินคุณสมบัติทางเคมีของเซลล์สำหรับโปรแกรมหลังลิเธียมไอออนมักจะเริ่มต้นด้วยคำถามเดียว: เราจะรับพลังงานเกิน 400 Wh/kg โดยไม่ต้องเดิมพันกับระบบโซลิดสเตตที่ยังไม่ได้จัดส่งในขนาดได้หรือไม่ แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ (Li-S) ตอบคำถามนี้โดยหลักการแล้ว แต่คุณสมบัติทางเคมีมีชื่อเสียงในเรื่องการเสียชีวิตตั้งแต่ยังเล็ก สาเหตุไม่ได้อยู่ที่แคโทดกำมะถันเพียงอย่างเดียว มันคืออิเล็กโทรไลต์และอันตรกิริยากับขั้วบวกโลหะลิเธียม ของเหลวไอออนิกแก้ไขปัญหาทั้งสองในลักษณะที่อีเทอร์หรืออิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตทั่วไปไม่สามารถทำได้ และในปัจจุบันมีจำหน่ายในปริมาณทางอุตสาหกรรมจากผู้ผลิต เช่น Ldet Energy การผสมผสานระหว่างความพอดีทางเทคนิคและความเป็นจริงของการจ่ายไฟเป็นสาเหตุให้ Li-S ยังคงเป็นหนึ่งในเคมีภัณฑ์ยุคถัดไปที่ใช้งานได้จริงมากที่สุด โดยมีเงื่อนไขว่าอิเล็กโทรไลต์ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมแทนที่จะยืมมาจากเซลล์รูปแบบอื่น

เหตุใดแบตเตอรี่ Li-S จึงคุ้มค่าที่จะระบุ

เริ่มต้นด้วยตัวเลขที่สำคัญสำหรับการออกแบบระบบ พลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของคู่รีดอกซ์ระหว่างซัลเฟอร์กับลิเธียม-ซัลไฟด์คือประมาณ 2,600 Wh/kg หรือห้าถึงสิบเท่าของมูลค่าจริงของเซลล์ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน แม้หลังจากความไร้ประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น อิเล็กโทรไลต์ส่วนเกิน คาร์บอนนำไฟฟ้า มวลตัวแยก และฮาร์ดแวร์ของกระเป๋า ชุด ​​Li-S ที่ใช้งานได้จริงยังได้รับการออกแบบซ้ำๆ เพื่อเป้าหมายที่ 400 ถึง 600 Wh/กก. ซัลเฟอร์มีความจุตามทฤษฎีที่ 1,675 mAh/g และเซลล์จะคายประจุที่ประมาณ 2.15 V เทียบกับ Li/Li สำหรับทีมจัดซื้อ ข้อเท็จจริงที่สำคัญพอๆ กันก็คือ กำมะถันนั้นมีอยู่มากมาย ราคาไม่แพง และปราศจากโคบอลต์และนิกเกิล ซึ่งขจัดทั้งปัญหาคอขวดในห่วงโซ่อุปทานและข้อกังวลในการจัดหาอย่างมีความรับผิดชอบ

สิ่งนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ การวิจัยของ Li-S ครอบคลุมมานานหลายทศวรรษ และเหตุผลที่เคมีไม่สามารถทดแทนลิเธียมไอออนได้นั้น ก็เป็นปัญหาวงจรชีวิตที่มีรากฐานมาจากพฤติกรรมของอิเล็กโทรไลต์ ประเด็นสำคัญสำหรับทุกคนที่วางแผนต้นแบบหรือแผนงานผลิตภัณฑ์ก็คือ กลไกความล้มเหลวเป็นที่เข้าใจกันดี และการออกแบบอิเล็กโทรไลต์ ไม่ใช่สถาปัตยกรรมอิเล็กโทรดแบบ Heroic คือวิธีแก้ปัญหาโดยตรงที่สุด

อุปสรรคสี่ประการที่ควบคุมอายุการใช้งานของวงจร Li-S

เซลล์ Li-S ล้มเหลวในสี่วิธีที่เชื่อมต่อถึงกัน การทำความเข้าใจก่อนที่จะเขียนข้อกำหนดคือความแตกต่างระหว่างการสาธิต 50 รอบและผลิตภัณฑ์ 500 รอบ

อ่านตารางเป็นมุมมองของระบบ สิ่งกีดขวางทุกอันมีมาตรการรับมือด้านอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโครงการพัฒนา Li-S ส่วนใหญ่จึงใช้เวลากับการกำหนดสูตรอิเล็กโทรไลต์มากกว่าการสังเคราะห์แคโทดเพียงอย่างเดียว

ของเหลวไอออนิกมีส่วนอะไรบ้างที่อิเล็กโทรไลต์ทั่วไปไม่สามารถทำได้

ข้อสรุปประการแรก: ของเหลวไอออนิกจะแก้ไขระบบ Li-S ที่อินเทอร์เฟซ ไม่ใช่เฉพาะในปริมาณมากเท่านั้น ไดออกโซเลนและไดเมทอกซีอีเทนผสมแบบทั่วไปถูกเลือกเนื่องจากละลายโพลีซัลไฟด์ และคุณสมบัติเดียวกันนั้นขับเคลื่อนกระสวย ในทางกลับกัน อิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตจะโจมตีตัวกลางโพลีซัลไฟด์และไม่สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ของเหลวไอออนิกใช้พื้นที่การออกแบบที่แตกต่างกัน เนื่องจากแคตไอออนและไอออนถูกเลือกอย่างอิสระเพื่อควบคุมความแข็งแรงของโซลเวชัน หน้าต่างเคมีไฟฟ้า และเฟสระหว่างโซลิด-อิเล็กโตรไลต์

คุณสมบัติสามประการที่สำคัญที่สุดในทางปฏิบัติ:

• หน้าต่างไฟฟ้าเคมีกว้าง ของเหลวไอออนิกส่วนใหญ่ยังคงความเสถียรสูงกว่า 4.5 V เมื่อเทียบกับ Li/Li และของเหลวหลายชนิดไม่สลายตัวในโลหะลิเธียมซึ่งเป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับขั้วบวก Li-S
• ไม่ติดไฟและความดันไอใกล้ศูนย์ นี่เป็นข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยที่มีความหมายเหนือการผสมอีเธอร์ที่ระเหยง่าย และทำให้การตรวจสอบความถูกต้องระดับระบบง่ายขึ้น
• อันตรกิริยาของโพลีซัลไฟด์ที่ปรับค่าได้ ไพโรลิดิเนียมและพิเพอริดิเนียมไอออนบวกมีปฏิกิริยาต่อนิวคลีโอฟิลิกโพลีซัลไฟด์น้อยกว่าอิมิดาโซเลียมไอออนบวกมาก ในขณะที่แอนไอออน TFSI และ FSI ลดกระสวยได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเกลือลิเธียมชนิดเดียวกันเพียงอย่างเดียวในตัวทำละลายอีเทอร์

ตระกูลแคตไอออนและแอนไอออนควรค่าแก่การทดสอบ

ตัวเลือกในทางปฏิบัติในโปรแกรม Li-S มักจะอยู่ระหว่างเกลืออิมิดาโซเลียมที่มีความหนืดต่ำกับไอออนบวกแบบไซคลิกที่เสถียรกว่า ตารางสรุปสิ่งที่แต่ละกลุ่มนำมาสู่เมทริกซ์ทดสอบแบบครึ่งเซลล์หรือเซลล์กระเป๋า

ความหนืดต่ำเป็นเหตุผลหลักที่ทีมควบคุมการผสมสูตรเริ่มต้นด้วย 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide หรือ EMIM-FSI นำไฟฟ้าได้ดีที่อุณหภูมิห้อง และประจุลบ FSI จ่าย SEI ที่เป็นมิตรกับลิเธียม สำหรับเซลล์ที่จัดลำดับความสำคัญของอัตราการคายประจุมากกว่าความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ EMIM-FSI เป็นหนึ่งในวิธีที่เร็วที่สุดในการปรับปรุงการใช้กำมะถัน

1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide (EMIM-FSI) ของเหลวไอออนิก ความหนืดต่ำทำให้สามารถนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องได้ดี ในขณะที่ประจุลบ FSI ช่วยสร้าง SEI ที่เป็นมิตรกับลิเธียม ทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับสูตรอิเล็กโทรไลต์ลิเธียม-ซัลเฟอร์ที่มีอัตราสูง ดูผลิตภัณฑ์ →

เมื่อเป้าหมายมีอายุการใช้งานยาวนานบนฝั่งแอโนด พิเพอริดิเนียมไอออนบวกจะเป็นตัวเลือกที่อนุรักษ์นิยมมากกว่า 1-บิวทิล-1-เมทิลไพเพอริดิเนียม บิส(ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล)อิไมด์ ซึ่งมักเรียกสั้น ๆ ว่า PP14-TFSI ยังคงความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าตลอดช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ในขณะเดียวกันก็ควบคุมการเคลื่อนตัวของโพลีซัลไฟด์

1-บิวทิล-1-เมทิลไพเพอริดิเนียม บิส(ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล)อิไมด์ (PP14-TFSI) ของเหลวไอออนิก พิเพอริดิเนียม cation provides wide-temperature electrochemical stability and helps control polysulfide migration, offering a conservative choice for long-cycle-life anode-side electrolyte designs. ดูผลิตภัณฑ์ →

การระบุเกรดของเหลวไอออนิก: สิ่งที่ฝ่ายจัดซื้อควรถาม

ความบริสุทธิ์ระดับแบตเตอรี่ไม่เหมือนกับความบริสุทธิ์ของแคตตาล็อก สำหรับงาน Li-S ปริมาณน้ำ ฮาไลด์ตกค้าง และเส้นทางสังเคราะห์นั้นมีความสำคัญมากกว่าการทดสอบที่โฆษณาไว้ น้ำที่แม้แต่ไม่กี่ร้อย ppm ก็ทำปฏิกิริยากับโลหะลิเธียมและแอนไอออนของ FSI ทำให้เกิดไฮโดรเจนฟลูออไรด์และใช้วัสดุออกฤทธิ์

• ปริมาณน้ำ ตั้งค่าขีดจำกัดการยอมรับเป็นชุดใกล้กับ 300 ppm โดย Karl Fischer และขอการวัดผลในใบรับรองการวิเคราะห์
• เฮไลด์ตกค้าง รักษาคลอไรด์และโบรไมด์ให้ต่ำกว่า 500 ppm เนื่องจากเฮไลด์จะเร่งการกัดกร่อนของลิเธียมแอโนด แม้ว่าเกลือหลักจะเป็น LiTFSI เกรดแบตเตอรี่ก็ตาม
• ความบริสุทธิ์ของแคตไอออน ยืนยันว่ามีการควบคุมผลพลอยได้ของ dialkylimidazolium ส่งผลต่อความหนืดและสามารถเปลี่ยนแปลงเคมี SEI ได้
• เอกสารเกี่ยวกับความหนืด ค่าความหนืดที่ 25 °C เป็นค่าพร็อกซีราคาถูกและเชื่อถือได้สำหรับความสม่ำเสมอแบบแบทช์ต่อแบทช์

การแลกเปลี่ยนระหว่างแอนไอออนของ FSI และ TFSI สมควรได้รับการประเมินอย่างชัดเจน FSI ให้การทู่โลหะลิเธียมที่ดีขึ้นและมีความหนืดต่ำลง TFSI ให้ความเสถียรทางความร้อนและไฮโดรไลติกที่สูงขึ้น โปรแกรมการทดสอบที่จริงจังทำให้ทั้งสองตัวเลือกเปิดอยู่ที่ 20 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักในอิเล็กโทรไลต์ แทนที่จะปล่อยประจุลบหนึ่งประจุก่อนที่จะมีข้อมูล สำหรับการทดสอบที่อุณหภูมิสูง 1-เอทิล-3-เมทิลอิมิดาโซเลียม บิส(ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล)อิไมด์เป็นเกลือ TFSI ที่มีความหนืดต่ำ ซึ่งยังคงรักษาข้อได้เปรียบในการจัดการอิมิดาโซเลียม ในขณะที่เพิ่มพื้นที่ส่วนหัวด้านความร้อน

1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (EMIM-TFSI) ของเหลวไอออนิก ผสมผสานคุณประโยชน์ในการจัดการอิมิดาโซเลียมเข้ากับความเสถียรทางความร้อนและไฮโดรไลติกที่สูงขึ้นของ TFSI ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเลือกความหนืดต่ำสำหรับการประเมินอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิสูงและการทดสอบประจุลบเชิงเปรียบเทียบ ดูผลิตภัณฑ์ →

นอกเหนือจากเกลือโมโนเมอร์ ของเหลวไอออนิกโพลีเมอร์ ยังแสดงให้เห็นแนวโน้มในการวิจัยแบตเตอรี่และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเสถียรภาพทางกลของการเคลือบด้านตัวแยกเป็นปัญหา

แผนงานคุณสมบัติ: จากเซลล์ประเมินไปจนถึงล็อตนำร่อง

ซื้อปริมาณการประเมินจากซัพพลายเออร์ที่มีการควบคุมการสังเคราะห์ ไม่ใช่ผู้จัดจำหน่ายที่ขายสต๊อกสินค้าโภคภัณฑ์ การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ Li-S ทำงานโดยการเปลี่ยนตัวแปรทีละตัว และหากโปรไฟล์สิ่งเจือปนของของเหลวไอออนิกเปลี่ยนระหว่างแบตช์ ข้อมูลวงจรชีวิตจะไม่สามารถตีความได้

1. ขอใบรับรองการวิเคราะห์และการติดตามไอออนโครมาโตกราฟีเฮไลด์ก่อนการซื้อครั้งแรก
2. ดำเนินการประเมินสามจุด: ความสามารถในการละลายในอิเล็กโทรไลต์พื้นฐานของคุณ การชุบและการปอกลิเธียมในเซลล์สมมาตร และการทดสอบเซลล์แบบเหรียญ 100 รอบเทียบกับค่าพื้นฐานปัจจุบันของคุณ
3. ยืนยันความทนทานต่อการสังเคราะห์แบบกำหนดเอง ไม่มีทีม Li-S สองทีมที่ใช้สูตรผสมที่เหมือนกัน และซัพพลายเออร์ที่สามารถผลิตเกรดฮาไลด์ต่ำหรือการผสมไอออนแบบอื่นจะช่วยคุณประหยัดเวลาหลายเดือนในการคัดกรองตัวทำละลาย
4. เจรจาเกณฑ์การยอมรับแบทช์ล่วงหน้า ซึ่งรวมถึงน้ำ ฮาไลด์ การทดสอบ และสี และตรวจสอบว่าเกณฑ์เดียวกันนี้รอดพ้นจากการขยายขนาดจากกิโลกรัมในห้องปฏิบัติการไปจนถึงปริมาณนำร่อง

Ldet Energy เป็นซัพพลายเออร์รายหนึ่งที่ตรงกับโปรไฟล์นี้ บริษัทผลิตของเหลวไอออนิกในระดับอุตสาหกรรมนับตั้งแต่ก่อตั้งในปี 2009 โดยนำเสนอแคตตาล็อกครอบคลุมโครงสร้างอิมิดาโซเลียม ไพร์โรลิดิเนียม พิเพอริดิเนียม ไพริดิเนียม และควอเทอร์นารีแอมโมเนียม และได้นำเสนอสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่เน้นแบตเตอรี่ในงานนิทรรศการแบตเตอรี่นานาชาติ เนื่องจากยอมรับโครงการการสังเคราะห์แบบกำหนดเองด้วย ทีม R&D จึงสามารถทดสอบโครงสร้างเฉพาะ แทนที่จะทดสอบตัวอย่างแค็ตตาล็อกทั่วไป ถึง หารือเกี่ยวกับข้อกำหนดในการวิเคราะห์และการขยายขนาด ทีมงานจัดซื้อสามารถทำงานร่วมกับเจ้าหน้าที่ด้านเทคนิคของ Ldet ได้โดยตรง

แบตเตอรี่ Li-S จะไม่แทนที่ลิเธียมไอออนทุกแห่ง แต่สำหรับการใช้งานที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานความหนาแน่น เช่น การบิน การป้องกันประเทศ และพลังงานแบบพกพาที่มีอายุการใช้งานยาวนาน สารเคมีดังกล่าวมีแนวโน้มว่าจะถึงการผลิตมากที่สุด อิเล็กโทรไลต์จะตัดสินว่าเซลล์จะประสบความสำเร็จหรือไม่ และของเหลวไอออนิกเป็นแพลตฟอร์มอิเล็กโทรไลต์ที่เชื่อถือได้มากที่สุดในระดับอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ขั้นตอนต่อไปไม่ใช่การทบทวนวรรณกรรมอีก กำลังสั่งซื้อของเหลวไอออนิกที่เหมาะสม 100 กรัม และสร้างชุดข้อมูล 100 รอบ