Welche Fluormaterialien stehen in Zusammenhang mit neuen Energieformen?

Im Hinblick auf den Emissionshöchststand und die Klimaneutralität befindet sich die Energiestruktur meines Landes in einer entscheidenden Übergangsphase von fossilen Brennstoffen zu neuen Energiequellen wie Wind, Licht und Wasserstoff. Fluormaterialien spielen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine zunehmend wichtige Rolle in der neuen Energiewirtschaft. Schauen wir uns an, welche Fluormaterialien in diesem Bereich Anwendung finden können!

1. Lithiumhexafluorophosphat

Lithiumhexafluorophosphat, derzeit das gängigste Elektrolytmaterial, verursacht einen relativ hohen Kostenfaktor im Elektrolyten, und sein Preis korreliert stark mit dem Gesamtpreis des Elektrolyten. Seit der zweiten Jahreshälfte 2020 hat der rasante Anstieg der Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen zu einer explosionsartigen Nachfrageexplosion geführt. Auch Lithiumhexafluorophosphat, als Hauptbestandteil des Elektrolyten, erlebte eine Phase explosionsartiger Nachfrage. Inländische Unternehmen haben ihre Produktion sukzessive ausgebaut, wodurch sich das Verhältnis von Angebot und Nachfrage rasant veränderte und sich aktuell voraussichtlich wieder abschwächt.

2. PVDF

In Lithiumbatterien wird PVDF hauptsächlich als Kathodenbinder eingesetzt und findet auch Verwendung in Separatoren und Separatorbeschichtungen. PVDF ist ein öllösliches Bindemittel, das die aktiven Elektrodenmaterialien, leitfähigen Substanzen und Stromkollektoren miteinander verbindet und vielfältige Funktionen erfüllt. Obwohl die zugesetzte Menge an PVDF gering ist, beeinflusst sie direkt die Zyklenstabilität, die Schnelllade- und Entladefähigkeit sowie den Innenwiderstand der Batterie. Ähnlich wie Lithiumhexafluorophosphat hat auch PVDF Höhen und Tiefen erlebt, weshalb neue Marktteilnehmer derzeit vorsichtig agieren. Im Solarbereich wird PVDF hauptsächlich als Rückseitenfolie für Photovoltaikmodule verwendet. Die Rückseitenfolie stützt und schützt die Zellen. Da sie als Verpackungsmaterial großflächig direkt mit der äußeren Umgebung in Kontakt steht, bestimmt ihre Leistungsfähigkeit unmittelbar den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Photovoltaikmoduls. Die Rückseitenfolie muss über eine ausgezeichnete Isolationsfähigkeit verfügen. Eigenschaften wie Wasserdampfbarriere und Witterungsbeständigkeit spielen bei der Materialauswahl eine besonders wichtige Rolle.

PVDF zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit, chemische, elektrochemische und thermische Stabilität aus. Die daraus gefertigte Rückseitenfolie schützt Photovoltaikmodule wirksam vor Umwelteinflüssen und verlängert deren Lebensdauer. Sie gehört derzeit zu den am häufigsten verwendeten Rückseitenfolien.

3. PVF

Als fluorhaltiges Polymermaterial besitzt PVF viele hervorragende Eigenschaften und ist ein weit verbreitetes Fluorfilmmaterial für Photovoltaik-Rückseitenfolien. Im Vergleich zu PVDF enthält PVF weniger Fluor, ist weniger UV- und chemikalienbeständig, hat eine geringere Dichte und ist weniger sandbeständig. In den letzten Jahren wurde PVF im Photovoltaikbereich zunehmend von PVDF verdrängt. PVDF ist mittlerweile das meistgenutzte Fluormembranmaterial auf dem Markt.

4.LiTFSI

Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, LiTFSI wird dem Elektrolyten im Verhältnis zu Lithiumhexafluorophosphat zugesetzt, wodurch die Lebensdauer und die Sicherheit der Batterie effektiv verbessert werden können. Es zeichnet sich durch höhere Leitfähigkeit, Hydrolysebeständigkeit und thermische Stabilität aus. Daher LiTFSI kann als Zusatzstoff zur Verbesserung der Mängel von Lithiumhexafluorophosphat eingesetzt werden, was dem Entwicklungstrend der neuen Energieautomobilindustrie entspricht.

Mit der rasanten Zunahme der weltweiten Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wird das beschleunigte Wachstum der Elektrolytproduktion und des -absatzes den Einsatz von LiTFSI wird von Jahr zu Jahr steigen, und die Marktaussichten sind sehr vielversprechend.

Derzeit konzentriert sich die heimische Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid-Produktion hauptsächlich auf Parite Gas und Jiangsu Cathay Chaowei New Materials, während ausländische Wettbewerber vor allem Solvay sind.

Darüber hinaus kann LiTFSI auch in Polymer-Festkörperbatterie-Elektrolyten eingesetzt werden. LiTFSI besitzt eine hohe Ionenleitfähigkeit und wird häufig als einziges leitfähiges Lithiumsalz in Polymerelektrolyten verwendet. Mit der fortschreitenden Industrialisierung von Festkörperbatterien wird LiTFSI neue Wachstumschancen eröffnen.

Derzeit setzen viele inländische Unternehmen LiTFSI ein, darunter Duofuoduo, Limin Co., Ltd., Zhongxin Fluoro Materials, CSSC Special Gas usw. CSSC Special Gas hat die Massenproduktion von LiTFSI bereits erreicht, während sich die LiTFSI-Produktion von Unternehmen wie Limin Co., Ltd. und Zhongxin Co., Ltd., beispielsweise von Fluoro Materials, noch in der Testphase im kleinen Maßstab befindet und Duofuoduo bereits über die Produktionstechnologie für LiTFSI verfügt.

5.LiFSI

LiFSI Obwohl Lithiumhexafluorophosphat das gängigste Lithiumsalz für Elektrolyte ist, sind seine Eigenschaften instabil und es zersetzt sich schnell an der Luft. Die Zersetzung setzt bereits bei etwas höheren Temperaturen ein. Daher ist es notwendig, hohe Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit bei der Lagerung zu vermeiden.

Im Vergleich zu Lithiumhexafluorophosphat, LiFSI Es zeichnet sich durch hohe Stabilität aus, zersetzt sich nicht unter 200 °C, weist ausgezeichnete Tieftemperatureigenschaften auf und besitzt eine gute Hydrolysestabilität. Es übertrifft Lithiumhexafluorophosphat hinsichtlich Leistungsindikatoren wie Leitfähigkeit, Lithiumentwicklungsreaktion und thermischer Stabilität und dürfte Lithiumhexafluorophosphat als Elektrolytmaterial ersetzen.

LiFSI wird hauptsächlich als Lithiumsalz im Elektrolyten auf zwei Arten verwendet: Erstens als Zusatzstoff für Lithiumhexafluorophosphat (üblicherweise 0–3 %) und zweitens als eigenständiges Lithiumsalz zum teilweisen Ersatz von Lithiumhexafluorophosphat (3–5 %). In Silizium-Kohlenstoff-Anodensystemen ist die Dosierung höher. Aktuell sind auf dem Markt hauptsächlich Lithiumhexafluorophosphate erhältlich. LiFSI findet vorwiegend in ternären Lithiumbatterien Verwendung und dient dort häufig als Zusatzstoff.

In Zukunft wird aufgrund der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Lithiumbatterietechnologie, des zunehmend ausgereiften LiFSI-Produktionsprozesses, der allmählichen Senkung der Produktionskosten und des Trends zu einem hohen Nickelgehalt in ternären Leistungsbatterien ein rascher Anstieg des Einsatzes von LiFSI erwartet.

FEC: Die chemische Bezeichnung von FEC ist 4-Fluor-1,3-dioxolan-2-on, allgemein bekannt als fluoriertes Ethylencarbonat. Es ist eines der am häufigsten verwendeten fluorhaltigen Additive. FEC wird in der negativen Elektrode eingesetzt. Auf der Oberfläche bildet sich eine SEI-Schicht mit dichter Struktur und hervorragenden Eigenschaften. Diese reduziert die Batterieimpedanz und verbessert gleichzeitig die Tieftemperatureigenschaften des Elektrolyten. Dadurch werden die spezifische Kapazität und die Zyklenstabilität der Batterie, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanteil, erhöht.

Dank der Entwicklung von Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeugen und anderen Branchen verzeichnen die Lieferungen von Lithiumbatterie-Elektrolyten einen Wachstumstrend, und auch die Nachfrage nach FEC steigt stetig. Darüber hinaus kann FEC auch in Natriumionen-Batterien eingesetzt werden. Derzeit hat das Land zahlreiche Maßnahmen zur Förderung der Energiespeicherung ergriffen. Es wird erwartet, dass sich die Energiespeicherbranche rasant entwickeln wird. Der Markt für Natriumionen-Batterien wird stark wachsen, was zu einem deutlichen Anstieg der FEC-Nachfrage führen wird.

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6. Perfluorsulfonsäureharz/Membran

Die Protonenaustauschmembran ist die Kernkomponente der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Im Betrieb der Zelle dient sie als Kanal für Wasserstoffionen und trennt die Reaktanten an Kathode und Anode. Ihre Eigenschaften beeinflussen direkt die Leistung, den Wirkungsgrad und die Lebensdauer.

Perfluorsulfonsäure-basierte Protonenaustauschmembranen finden derzeit breite Anwendung in der Industrie. Sie werden durch Filmbildung aus Perfluorsulfonsäureharz hergestellt. Die Hauptkette des Perfluorsulfonsäureharz-Moleküls (PFSA) besitzt eine Polytetrafluorethylen-Struktur (PTFE). Die Fluoratome im Molekül umschließen die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kette eng. Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung ist kurz, energiereich und weist einen extrem niedrigen chemischen Grad auf. Dies verleiht dem Molekül ausgezeichnete thermische und chemische Stabilität sowie hohe mechanische Festigkeit. Die hydrophilen Sulfonsäuregruppen an den Seitenketten des Moleküls adsorbieren Wassermoleküle und sorgen für hervorragende Ionenleitfähigkeit.

Perfluorsulfonsäure-Protonenaustauschmembranen bieten deutliche Vorteile hinsichtlich Struktur und Leistung. Sie zeichnen sich durch hohe chemische Stabilität, hohe Protonenleitfähigkeit, hohe mechanische Festigkeit, hohe Stromdichte bei niedrigen Temperaturen und geringen Protonenleitwiderstand aus. Sie erfüllen die Anforderungen moderner PEMFC-Anwendungen.

7. Fluorwasserstoffsäure in Elektronikqualität

Elektronikreine Fluorwasserstoffsäure wird hauptsächlich zur Entfernung von Oxiden eingesetzt. Sie zählt zu den am häufigsten verwendeten Chemikalien in der Halbleiterfertigung und findet breite Anwendung in integrierten Schaltungen, der Solartechnik, Flüssigkristallanzeigen und weiteren Bereichen. In der Photovoltaik wird elektronische Fluorwasserstoffsäure vorwiegend für die Prozessoptimierung, beispielsweise zur Texturierung und Reinigung von Solarzellen, verwendet und macht etwa 25 % des Gesamtverbrauchs aus.

Mit der rasanten Entwicklung der Photovoltaikindustrie steigt auch der Bedarf an elektronischer Flusssäure in Photovoltaikqualität. Daten zeigen, dass die heimische Photovoltaikzellenproduktion im Jahr 2023 bei etwa 540 GW liegen und dafür rund 480.000 Tonnen elektronische Flusssäure benötigen wird. Da die für die Photovoltaik benötigte elektronische Flusssäure jedoch hauptsächlich der Güteklasse G1 entspricht, besteht bereits eine Überkapazität, und es herrscht ein starker Wettbewerb zwischen den Anbietern.

Zusammenfassung

Neben den bereits erwähnten Fluormaterialien gibt es zahlreiche weitere Fluormaterialien, die in der neuen Energiewirtschaft Anwendung finden, beispielsweise Lithiumdifluorophosphat, THV und ETFE. Ob in Lithiumbatterien, Photovoltaik oder anderen neuen Energiequellen – Fluormaterialien spielen eine zentrale Rolle. Ihre Entwicklung und Anwendung sind von großer Bedeutung für die Kostensenkung und die letztendliche großflächige Förderung und Anwendung neuer Energiequellen.