Herstellung des Lithiumsalzes Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI) und Perspektiven für seine Anwendung in Lithiumbatterien

Der Elektrolyt von Lithiumbatterien ist einer der Schlüsselfaktoren für deren Leistungsfähigkeit. Seine Zusammensetzung beeinflusst direkt die Sicherheit, die Lade- und Entladeeffizienz sowie die Lebensdauer der Batterie. Zu den vielen Elektrolytkomponenten gehören: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI) Aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften hat sich Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid nach und nach zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt. Dieser Artikel untersucht eingehend die Rohstoffe von Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid und dessen Anwendungsmöglichkeiten in Lithiumbatterien.

1. Ethylencarbonat

Die Summenformel lautet C₃H₄O₃. Es handelt sich um eine transparente, farblose Flüssigkeit, die bei Raumtemperatur ein kristalliner Feststoff ist. Ihr Siedepunkt liegt bei 248 °C/760 mmHg bzw. 243–244 °C bei 740 mmHg. Der Flammpunkt beträgt 160 °C, die Dichte 1,3218 g/cm³, der Brechungsindex 1,4158 (50 °C) und der Schmelzpunkt liegt zwischen 35 und 38 °C. Ethylencarbonat ist ein hervorragendes Lösungsmittel für Polyacrylnitril und Polyvinylchlorid und wird häufig in der Textilindustrie als Spinnflüssigkeit eingesetzt. Es kann auch direkt als Lösungsmittel zur Entfernung saurer Gase sowie als Zusatzstoff für Beton verwendet werden. In der Medizin dient es als wichtiger Bestandteil und Rohstoff für Arzneimittel. Darüber hinaus wird es als Stabilisator für Kunststofftreibmittel und synthetische Schmierstoffe eingesetzt. In der Batterieindustrie findet Ethylencarbonat breite Anwendung als hervorragendes Lösungsmittel für Lithiumbatterie-Elektrolyte.

2. Propylencarbonat

Seine Summenformel lautet C₄H₆O₃. Diese chemische Substanz ist eine farblose oder hellgelbe, transparente Flüssigkeit und in Wasser und Tetrachlorkohlenstoff löslich. Sie ist außerdem mit organischen Lösungsmitteln wie Ether, Aceton und Benzol mischbar. Propylencarbonat gilt als hochwertiges polares Lösungsmittel und spielt eine Schlüsselrolle in vielen Bereichen, beispielsweise in der Polymerverarbeitung, bei Gastrennverfahren und in elektrochemischen Anwendungen. Insbesondere eignet es sich gut zur Absorption von Kohlendioxid aus Erdgas und synthetischem Ammoniak in petrochemischen Anlagen. Es kann auch als Weichmacher, Spinnlösungsmittel und Extraktionsmittel für Olefine und Aromaten eingesetzt werden. Toxikologische Daten aus Tierversuchen bestätigten, dass bei oraler oder kutaner Aufnahme keine Vergiftungserscheinungen auftraten. Die orale LD₅₀ bei Ratten betrug 29.000 mg/kg. Zur Gewährleistung der Sicherheit sollte dieses Produkt kühl, gut belüftet und trocken, fern von Feuerquellen und gemäß den allgemeinen Lager- und Transportvorschriften für schwach toxische Chemikalien gelagert werden.

3. Diethylcarbonat

Seine Summenformel lautet CH₃OCOOCH₃. Diese Chemikalie ist eine farblose Flüssigkeit mit schwachem Geruch. Bei 23,8 °C beträgt ihr Dampfdruck 1,33 kPa, während ihr Flammpunkt bei 25 °C liegt. Dies bedeutet, dass die Substanz bei steigender Temperatur leicht verdampft und sich mit Luft vermischt, wodurch eine Brandgefahr besteht. Ihr Schmelzpunkt liegt bei -43 °C und ihr Siedepunkt bei 125,8 °C. Diethylcarbonat ist in Wasser unlöslich, aber mit organischen Lösungsmitteln wie Alkoholen, Ketonen und Estern mischbar. Diese Substanz besitzt eine relativ hohe Dichte und gute Stabilität. Sie findet vielfältige Anwendung in der organischen Synthese und als Lösungsmittel.

Darüber hinaus weisen die meisten in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Lithiumsalze, wie z. B. LiPF₆, LiBF₄ und LiClO₄, eine leichte Hydrolyse und geringe thermische Stabilität auf. Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI) hingegen, ein neuartiges Lithiumsalz, zeigt hervorragende Gesamteigenschaften. Sein Syntheseverfahren ist fortschrittlich. Es wird durch Fluorierung von Bis(chlorsulfonyl)imid mit einem Fluorierungsmittel und anschließende Lithiierung gewonnen. Im Vergleich zu herkömmlichem Lithiumhexafluorophosphat bietet LiFSI eine höhere Leitfähigkeit, ausgezeichnete thermische Stabilität und gute Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen im Elektrolyten. Daher kann der Einsatz von LiFSI im Elektrolyten die Zyklenlebensdauer, die Leistungsfähigkeit und die Sicherheit von Lithiumbatterien signifikant verbessern und somit den Anforderungen zukünftiger Entwicklungen gerecht werden.

Daher wird erwartet, dass LiFSI zu einem unverzichtbaren Zusatzstoff in Lithiumbatterien wird und das herkömmliche LiPF6 teilweise ersetzen wird. Obwohl der aktuelle Produktionsprozess von LiFSI noch relativ komplex und kostspielig ist, dürften die Produktionskosten und der Marktpreis mit zunehmender Reife des Prozesses und der zukünftigen Bereitstellung von Produktionskapazitäten deutlich sinken, was das Preis-Leistungs-Verhältnis verbessern dürfte. Darüber hinaus bietet die kontinuierliche Weiterentwicklung der Lithiumbatterietechnologie LiFSI ein breites Entwicklungspotenzial. Viele inländische Unternehmen haben aktiv in die Forschung, Entwicklung und Produktion von LiFSI investiert, um dessen Marktdurchdringung im Bereich der Lithiumsalze zu beschleunigen. Mit der rasanten Entwicklung des Marktes für Elektrofahrzeuge wird auch der Markt für neue Lithiumsalze wichtige Wachstumschancen eröffnen.

Mittlerweile beherrschen viele inländische Unternehmen die Herstellungstechnologie von LiFSI. Üblicherweise synthetisieren sie zunächst Bis(chlorsulfonyl)imid, reagieren dann mit fluorierten Metallsalzen und erhalten schließlich nach einer Reihe chemischer Reaktionen LiFSI.

Die inländische Produktionskapazität für Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid hat rund 21.700 Tonnen erreicht. Viele namhafte Unternehmen sind bereits in diesem Bereich tätig und verfügen über beträchtliche Produktionskapazitäten. Auch neue Marktteilnehmer haben sich angeschlossen und tragen gemeinsam zum Wachstum des Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid-Marktes bei.

Darüber hinaus haben die rasante Entwicklung der Elektromobilitätsbranche und der anhaltende Erfolg des Elektrolytmarktes gemeinsam die dynamische Entwicklung des vorgelagerten Lithiumsalzmarktes gefördert. Die kontinuierliche Ausweitung der Produktionskapazitäten von Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid wird dessen Produktionskosten zweifellos weiter senken und somit dessen Einsatz in Lithiumbatterie-Elektrolyten ausweiten.

Jiayuan sollte die Marktsituation weiterhin verstehen, gute Marktforschung betreiben, seine eigene Position auf dem Lithiumbatteriemarkt finden, seine eigenen Vorteile hervorheben und die Kernwettbewerbsfähigkeit des Unternehmens verbessern!