Introduzione a 1,3-propenesultone
1,3-propenesultone (PST) è un estere ciclico di solfonati insaturo con la formula molecolare C₃H₆O₃ e un peso molecolare di 120,13. Ha un punto di fusione di 83-84 ° C e un punto di ebollizione di 118 ° C a 0,1 mmHg. Segnalato per la prima volta alla fine degli anni '50, PST contiene sia un doppio legame carbonio-carbonio che un anello di solfonato, che lo conferisce un potenziale di riduzione più elevato di 1,3-propanesultone (1,3-PS). Ciò consente a PST di decomporre preferibilmente sulla superficie dell'elettrodo e formare un elettrolita solido stabile (SEI). [1] Nel 2002, Hibara e collaboratori di Mitsui Chemicals hanno proposto per la prima volta PST come additivo per elettroliti per le batterie agli ioni di litio. [2] A causa della sua somiglianza strutturale con 1,3-PS e un meccanismo di decomposizione comparabile, il PST è considerato un'alternativa a 1,3-Ps.
L'applicazione di 1,3-propenesultone nelle batterie agli ioni di litio
Come additivo chiave di elettroliti, 1,3-propenesultone (PST) migliora notevolmente le prestazioni elettrochimiche complessive delle batterie agli ioni di litio. Il meccanismo sottostante sta nella sua capacità di sottoporsi a reazioni redox preferenziali sia sulle superfici catodiche che anodi, formando così un elettrolitico solido stabile e uniforme (SEI). I miglioramenti specifici si manifestano nei seguenti tre aspetti.
1. Sopprezzare la generazione di gas e migliorare le prestazioni ad alta temperatura
KJ Nelson e collaboratori hanno studiato l'effetto della PST nella cella NCM111/grafite e hanno scoperto che le batterie contenenti PST al 2 % hanno generato un gas significativamente inferiore durante lo stoccaggio e il ciclo ad alta temperatura rispetto al gruppo di controllo VC al 2 %. PST viene utilizzato come additivo per batteria ad alta temperatura. Il PST può migliorare la stabilità di stoccaggio a 60 ° C, soppressore il decadimento della tensione e limitare la crescita dell'impedenza durante lo stoccaggio. [3]
2. Migliora la stabilità del catodo
Bin Li et al. [4] hanno dimostrato che 1,3-propenesultone (PST) migliora la stabilità dei catodi Limn₂o₄. Durante il ciclo di carica -scarica, la presenza di Mn³⁺ innesca l'effetto Jahn -Teller, destabilizzando la struttura, fratturale particelle e promuovendo grave dissoluzione Mn 3+ , che degradano la durata del ciclo. Le cellule contenenti PST al 5 % formano una robusta interfase catodo-elettrolita che sopprime la lisciviazione di Mn³⁺, migliorando così la stabilità del catodo e migliorando notevolmente le prestazioni del ciclismo.
3. compatibile con catodi ad alta capacità e batterie al litio ad alta tensione
L'ossido ricco di litio è uno dei catodi più promettenti che soddisfano il requisito di densità ad alta energia per le batterie del futuro, ma la sua trasformazione di fase da strato a struttura di spinello causata dall'instabilità reticolare presenta una grave sfida alla stabilità del ciclo e alla capacità effettivamente accessibile. In un sistema a base di MN ricco di Li, Wenqiang Tu et al. Ha scoperto che il 2 % di PST migliora la stabilità del catodo ricco di LI, aumenta la capacità di scarica iniziale e migliora notevolmente le prestazioni ciclistiche delle batterie agli ioni di litio. [5]
Altri campi
1,3-propenesultone (PST) incorpora un doppio legame carbonio-carbonio, un anello a cinque membri e un gruppo solfonilico all'interno di una singola molecola. La deformazione ad anello alta del ciclo a cinque membri e il forte effetto di trappola per elettroni della porzione di solfonile conferiscono congiuntamente al PST di una reattività eccezionale, rendendolo un prezioso intermedio nelle sintesi sia agrochimiche che farmaceutiche. [6]
Riferimenti
[1] Bo Tong, Ziyu Song, Huihai Wan, et al. Composti contenenti zolfo come additivi per elettroliti per batterie agli ioni di litio [J]. Infomat., 2021, 3, 1-29.
[2] Hibara A, Ishida T. Elettrolita non acquoso, batteria secondaria usando l'elettrolita e additiva per elettrolita [P]. JP2002329528A, 2002.
[3] KJ Nelson, Jian Xia, Jr Dahn. Studi sull'effetto del vario contenuto di prop-1-e-e-1,3 in cellule di sacchetto di ioni di litio [J]. J. Electrochem. Soc., 2014, 161, A1884-A1889.
[4] Bin Li, Yaqiong Wang, Haibo Rong, et al. Un nuovo elettrolita con la possibilità di formare un'interfaccia elettrolita solido sull'anodo e il catodo di una batteria Limn 2 O 4 /Grafite [J]. J. Mater. Chimica. A, 2013, 1, 12954-12961.
[5] Wenqiang Tu, Yucheng Wen, Changchun Ye, et al. Trasformazione di fase del catodo di ossido ricco di litio in cellula piena e la sua soppressione da parte di elettrolitico solido interfase sull'anodo di grafite. Energy Environ. Mater. 2020, 3, 19-28.
[6] Yugui Jiang, Yeqin Weng, Chao Zhang. Un metodo per preparare 1,3-propenesultone [P]. CN118146188, 2024.
Sfide tecniche e strategie di ottimizzazione per PST
Quando la PST viene utilizzata come additivo elettrolitico unico, tende a formare uno strato SEI eccessivamente spesso sull'anodo, aumentando l'impedenza delle cellule.
Contromisure tradizionali attuali:
1. Controllo del dosaggio preciso;
2. Co-utilizzo con additivi a bassa impedenza per costruire un'interfase ibrida sottile ma robusta;
3. Design molecolare funzionale o messa a punto della solvatazione-struttura per ridurre ulteriormente la resistenza al trasferimento di carica.
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