Le lithium bis(trifluorométhanesulfonyl)imide, communément appelé LiTFSI, et ses analogues, sont des électrolytes essentiels pour les batteries au lithium et les cellules solaires. Cependant, la commercialisation du LiTFSI par synthèse thermochimique repose sur l'utilisation de NH3 intermédiaires, qui impliquent de multiples processus catalytiques et de purification, conduisant à d’importantes émissions de carbone. Par conséquent, développer une méthode de synthèse directe de LiTFSI à partir de N2 dans des conditions douces devient particulièrement important.
Dans une étude publiée dans Nature Catalysis , l'équipe du professeur Wang Yaobing de l'Institut de recherche du Fujian sur la structure de la matière de l'Académie chinoise des sciences a proposé une stratégie de synthèse électrochimique en cascade basée sur Li–N2 batteries et obtenu une synthèse électrochimique efficace de divers composés contenant de l'azote, y compris le LiTFSI.
La stratégie spécifique comprend la réduction catalytique du N2 à Li3 N pendant la décharge, acylant Li3 N pour former LiTFSI et le sous-produit LiCl, et oxyder LiCl pendant le chargement pour terminer le cycle de synthèse.
Les chercheurs ont démontré la réduction électrocatalytique du N2 à Li3 N grâce à des techniques telles que la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à transmission à basse température, et a confirmé la faisabilité de la réaction d'acylation S-N entre Li3 N et CF3 SO2 Cl par résonance magnétique nucléaire, spectrométrie de masse et spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Sur la base du changement de couleur du méthylorange du rouge à l'incolore pendant le processus de charge, ils ont prouvé que le sous-produit LiCl était oxydé en Cl2 .
Les résultats expérimentaux ont indiqué que, dans des conditions optimisées, l'efficacité de la réduction catalytique du N2 à Li3 N a atteint 53,2 %, l'efficacité de conversion de N2 au LiTFSI était de 48,9 % et l'efficacité énergétique de la synthèse électrochimique du LiTFSI atteignait 3,0 %.
De plus, les chercheurs ont utilisé un dispositif Flow Cell pour réaliser une synthèse électrochimique continue de LiTFSI, démontrant ainsi l’importance pratique de cette stratégie en production. En élargissant le champ d'application des substrats, ils ont fourni une voie pour la synthèse électrochimique directe d'analogues avec différentes liaisons N-X (X =S, C, etc.) et des cations métalliques (Li + , Zn 2+ , etc.), prouvant l'évolutivité de la stratégie.
Cette étude présente un schéma de synthèse électrochimique complet pour la production pratique de produits chimiques contenant de l'azote, qui offre une approche prometteuse pour synthétiser des électrolytes haut de gamme avec une efficacité améliorée des atomes d'azote.
Plus d'informations : Xiang Zhang et al, Électrosynthèse en cascade de LiTFSI et d'analogues contenant de l'azote via une batterie Li-N2 en boucle, Nature Catalysis (2024). DOI :10.1038/s41929-023-01067-3
Informations sur le journal : Catalyse naturelle
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
