隨著電動(dòng)汽車市場推動(dòng)對鋰離子電池需求的激增，研發(fā)新電解質(zhì)的研究正在加緊進(jìn)行，這種電解質(zhì)不僅能確保電池性能、壽命和安全性，還能使高能陽極材料(如硅)和陰極材料(如NMC 811)成為可能。高純度電解質(zhì)成分對于減輕電池的副反應(yīng)和過早退化至關(guān)重要。阿科瑪（Arkema）的新電解液添加劑LiTDI不僅延長了電池壽命和快速充電性能，還解決了電動(dòng)汽車電池所需的高容量電池材料的純度和穩(wěn)定性問題。
LiTDI,鋰4,5-二氰基-2-（三氟甲基）異吡唑首次在華沙工業(yè)大學(xué)（WUT）發(fā)現(xiàn)。LiTDI的合成與提純是一直由華沙工業(yè)大學(xué)（WUT）、法國國家科學(xué)研究中心（CRNS）與法國亞眠大學(xué)（University of Amiens，F(xiàn)rance）合作的。作為Michel Armand團(tuán)隊(duì)在法國亞眠大學(xué)的一員，Gregory Schmidt博士最開始研究鋰鹽在鋰電池中的好處。Gregory Schmidt博士的研究注重在合成和電解液配方兩方面，證明這種鋰鹽如果作為添加劑，可以增加電解液的作用。在Amiens進(jìn)行了兩年的應(yīng)用研究和開發(fā)后，Gregory Schmidt博士重回阿科瑪，將這種分子整合到阿科瑪強(qiáng)大的電池和可再生能源解決方案平臺中。
LiTDI具備多種優(yōu)點(diǎn)。它的分子結(jié)構(gòu)是特別定制的，以帶來巨大的電化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的離子解離。首先，異吡唑環(huán)通過共振效應(yīng)有助于負(fù)電荷解離。其次，兩個(gè)腈基組具有優(yōu)化電陰性/重量比的特性，可以進(jìn)一步促進(jìn)正電荷解離。最后，CF3組附屬在異吡唑環(huán)上，具有電化學(xué)穩(wěn)定性。循環(huán)伏安法研究表明，在4.6V-4.7V范圍內(nèi)，該分子無反應(yīng)。此外，在DSC研究表明，該分子就有極高的熱穩(wěn)定性，僅在250°C以上的溫度可降解。因此，這使得該分子成為在高壓和高溫下工作的長效鋰離子電池的最佳選擇。
清除水分雜質(zhì)以提高電解質(zhì)穩(wěn)定性
除了其固有的穩(wěn)定性，LiTDI可以在電解液中起到很好的防潮作用：鋰離子和腈基團(tuán)與水分子相互作用，通過氫鍵將它們捕獲，正如Xu的團(tuán)隊(duì)在2017年發(fā)表的的一片論文中強(qiáng)調(diào)的一樣(Xu and all, Chem. Mater.2017.29.5.2254-2263)。這種與水分子的相互作用可以有效抑制LiPF5的水解，LiPF5是LiPF6在陽極分解的產(chǎn)物，被稱為電解液溶劑降解的主要來源。另外，此外，腈基與氟化氫分子相互作用，也是LiPF6的降解結(jié)果，進(jìn)一步減輕陰極一側(cè)的寄生反應(yīng)。通過減少雜質(zhì)對不同電解質(zhì)成分的影響，僅添加1%的LiTDI可提高電解液的穩(wěn)定性，從而延長電池壽命。
LiTDI對電池性能的另一個(gè)重要影響是它有助于在鋁集流體上形成鈍化層。當(dāng)研究人員試圖在高電壓應(yīng)用中尋找LiPF6的替代品時(shí)，陰極集流體的腐蝕似乎是一個(gè)問題，從而增加了內(nèi)部電阻率并降低了陰極容量。這種由LiTDI (Paillet and all，J. Power Sources，2015，299，309)形成的穩(wěn)定的鋁保護(hù)增加了電池的壽命，該電池包含基于替代鹽(如LiFSI)的新電解質(zhì)，支持采用高壓電極(如NMC 622)。
快速充電時(shí)電阻率降低
最后，如果不強(qiáng)調(diào)它在固體電解質(zhì)界面(SEI)的形成和穩(wěn)定中的重要作用，保護(hù)陽極免受與有機(jī)溶劑的降解反應(yīng)，LiTDI特性的列表將不是詳盡的。LiTDI與傳統(tǒng)的SEI添加劑(如FEC或VC)結(jié)合，通過CF3基團(tuán)的脫氟作用幫助生長LiF礦物相，同時(shí)促進(jìn)聚合相的形成（Shkrob and all, J. Phys. Chem. C 2016, 120, 50, 28463-28471）。由此產(chǎn)生的SEI更薄、更交聯(lián)、更堅(jiān)固，這轉(zhuǎn)化為更低的電阻率和初始容量損失的減少。這種現(xiàn)象不僅在石墨陽極上觀察到，在硅基陽極上也觀察到，其中SEI添加劑的作用對于電池壽命和電池內(nèi)阻甚至更為關(guān)鍵。
NMC111在45℃循環(huán)
作為上述所有電化學(xué)益處的結(jié)果，含有LiTDI作為添加劑的電池，與傳統(tǒng)SEI添加劑協(xié)同作用，由于電池阻抗降低，在快速充電和放電性能方面表現(xiàn)出顯著的改善。此外，這種鹽促進(jìn)了電解質(zhì)純度和穩(wěn)定性提高，使得傳統(tǒng)電解質(zhì)能夠進(jìn)行高溫循環(huán)(> 45℃)。最后，LiTDI是一種很好的電解液添加劑，不僅可以顯著延長石墨陽極的電池壽命，還可以延長硅基陽極的電池壽命。
（中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯）
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