Lithiumbis(trifluormethaansulfonyl)imide, algemeen bekend als LiTFSI, en zijn analogen, zijn kritische elektrolyten voor lithiumbatterijen en zonnecellen. De commercialisering van LiTFSI via thermische chemische synthese is echter afhankelijk van het gebruik van NH₃ tussenproducten, waarbij meerdere katalytische en zuiveringsprocessen betrokken zijn, wat leidt tot aanzienlijke koolstofemissies. Daarom wordt een methode ontwikkeld voor de directe synthese van LiTFSI uit N₂ onder milde omstandigheden wordt bijzonder belangrijk.

In een studie gepubliceerd in Nature Catalysis , stelde het team van prof. Wang Yaobing van het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter van de Chinese Academie van Wetenschappen een cascade-elektrochemische synthesestrategie voor, gebaseerd op Li–N₂ batterijen, en een efficiënte elektrochemische synthese bereikt van verschillende stikstofhoudende verbindingen, waaronder LiTFSI.

De specifieke strategie omvat het katalytisch reduceren van N₂ naar Li₃ N tijdens ontlading, acyleert Li₃ N om LiTFSI en het bijproduct LiCl te vormen, en LiCl te oxideren tijdens het opladen om de synthetische cyclus te voltooien.

De onderzoekers demonstreerden de elektrokatalytische reductie van N₂ naar Li₃ N door middel van technieken zoals röntgendiffractie en transmissie-elektronenmicroscopie bij lage temperatuur, en bevestigde de haalbaarheid van de S-N-acyleringsreactie tussen Li₃ N en CF₃ DUS₂ Cl door middel van nucleaire magnetische resonantie, massaspectrometrie en Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie. Gebaseerd op de kleurverandering van methyloranje van rood naar kleurloos tijdens het oplaadproces, bewezen ze dat het bijproduct LiCl werd geoxideerd tot Cl₂ .

De experimentele resultaten gaven aan dat, onder geoptimaliseerde omstandigheden, de katalytische reductie-efficiëntie van N₂ naar Li₃ N bereikte 53,2%, de conversie-efficiëntie van N₂ aan LiTFSI bedroeg 48,9% en de energie-efficiëntie van de elektrochemische synthese van LiTFSI bereikte 3,0%.

Bovendien gebruikten de onderzoekers een flowcell-apparaat om continue elektrochemische synthese van LiTFSI te bereiken, wat de praktische betekenis van deze strategie in de productie aantoont. Door het substraatbereik uit te breiden, boden ze een pad voor de directe elektrochemische synthese van analogen met verschillende N-X-bindingen (X =S, C, enz.) en metaalkationen (Li ⁺ , Zn ²⁺ , enz.), wat de schaalbaarheid van de strategie bewijst.

Deze studie presenteert een uitgebreid elektrochemisch syntheseschema voor de praktische productie van stikstofhoudende chemicaliën, dat een veelbelovende aanpak biedt voor het synthetiseren van hoogwaardige elektrolyten met verbeterde stikstofatoomefficiëntie.

Meer informatie: Xiang Zhang et al, Cascade-elektrosynthese van LiTFSI en N-bevattende analogen via een Li-N2-batterij met lus, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01067-3

Journaalinformatie: Natuurkatalyse

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen