LiFSI 性能优越,有望成为下一代电解液用溶质锂盐
锂电池是目前商用电池中的主要电池类型,其重要组成部分包括电解质、正极、负极 和隔膜。锂电池的充放电过程是由锂离子经电解质在正负极之间往返的嵌入和脱嵌来实现。
目前主流商用电解质为液体电解质(俗称电解液),主要由溶质锂盐、有机溶剂和添 加剂构成。电解质从物理形态上可分为固体电解质和液体电解质(俗称电解液),其中电 解液基于溶剂种类还可分为水系电解液和有机(溶剂)电解液。目前商业化使用的电解质 主要为有机电解液,由溶质(锂盐)、溶剂(有机溶剂)以及添加剂构成。LiFSI 作为下 一代溶质锂盐是未来趋势。
溶质锂盐的选择很大程度上也决定着锂电池的容量、工作温度、循环性能、功率密度、 能量密度及安全性等性能。溶质锂盐不仅在锂电池中负责提供自由穿梭的离子和承担电池 内部传输离子的作用,还需与电极材料作用形成固体电解液膜(SEI),所以锂电池的锂盐 选择通常考虑:离子电导率、溶解度、稳定性、SEI 形成能力、铝钝化能力和抗水解性。
目前电解液溶质锂盐主要采用相对低成本的六氟磷酸锂(LiPF6)。溶质锂盐作为电解 液的核心组分,其电解液质量占比仅约 13%,但在电解液制造成本占比约 62%,因此锂 盐的成本会很大程度限制其在电解液中的应用。溶质锂盐主要分为无机锂盐和有机锂盐, 无机锂盐相较于有机锂盐制造环节少、提纯难度低,具有价格低、工艺壁垒低的优势,因 此综合性能满足当下市场要求的六氟磷酸锂(LiPF6,以下简写为 6F),凭借其低成本的优 势成为目前主流的溶质锂盐。
双氟磺酰亚胺(LiFSI)性能优异,符合未来电池电解液发展趋势。从材料特性来看, LiFSI 与 LiPF6 相比,拥有更好的导电性、更高的电化学和热稳定性以及抗水解性,可以在 高温环境下保持良好的电池性能。LiFSI 在电池中还可以形成更薄、更均匀的 SEI,可以有 效减小枝晶对电池结构的破坏从而提升稳定性。虽然 LiFSI 对铝制集流板有腐蚀作用,但 目前可以通过加入少量添加剂如 LiODFB 使铝提前钝化来克服。
LiFSI 与 LiPF6 混合使用也能一定程度较单独使用 LiPF6 提升电池性能。LiFSI 以及衍 生物 NaFSI 还十分适合用于未来电池体系如锂硫电池(Li-S)、金属锂电池(LMB)、钠离 子电池(SIB)以及硅负极锂电池,符合未来电池电解液的发展趋势。因此我们判断 LiFSI 在电解液中的地位有望从目前的添加剂(占比 0.5%以下)逐步过渡到单独使用的锂盐(占 比 1%~15%),实现电解液溶质锂盐环节的技术更迭。