Новите добавки подобряват работата на литиево-йонните батерии при ниски температури

Фигура 1 е процес на синтезиране на добавката.Основно йонната течна молекулярна верига се присажда върху наносферата на полиметилметакрилат (PMMA) чрез реакция, за да се образува подобна на четка основна структура и след това структурата се диспергира в етилацетат (MA).И се образува нова електролитна система в смесен разтворител от пропилей карбонат (PC).Както е показано на фиг. 2а, проводимостта на електролита намалява с понижаването на температурата и проводимостта на електролита, съдържащ етилацетат, е много по-висока от тази на електролита, използващ само пропилей карбонат като разтворител, тъй като Относително ниската точка на замръзване ( -96 ° C) и вискозитет (0,36 cp) на етилацетат насърчават бързото движение на литиевите йони при ниски температури.Може да се види от фиг. 2b, че вискозитетът на електролита ще се увеличи след добавянето на проектираната добавка (PMMA-IL-TFSI), но увеличението на вискозитета не влияе върху проводимостта на електролита.Интересното е, че добавянето на добавката води до значително увеличаване на проводимостта на електролита.Това се дължи на: 1) Йонната течност инхибира втвърдяването на електролита при ниски температури.Ефектът на пластификация, причинен от наличието на йонна течност, намалява температурата на фазовия преход в стъкло на електролитната система (фиг. 2c), така че провеждането на йони е по-лесно при условия на ниска температура;2) Микросферичната структура на PMMA, присадена от йонна течност, може да се разглежда като „еднойонен проводник“.Добавянето на добавката значително увеличава количеството свободно движещи се литиеви йони в електролитната система, като по този начин повишава проводимостта на електролита при стайна температура, както и при ниски температури.

Фигура 1. Синтетичен път за добавки.

Фигура 2. (а) Проводимостта на електролита като функция от температурата.(b) Вискозитет на електролитната система при различни температури.(c) DSC анализ.

Впоследствие авторите сравняват електрохимичните характеристики на две електролитни системи, съдържащи добавки и без добавки при различни условия на ниска температура.Може да се види от Фиг. 3, че след циркулация на 90 цикъла при плътност на тока от 0,5 C, няма значителна разлика в капацитета на двете електролитни системи при 20 °C.Тъй като температурата се понижава, електролитът, съдържащ добавката, показва по-добри циклични характеристики от електролита без добавката.При 0 °C, -20 °C и -40 °C, капацитетът на електролита, съдържащ добавката, след циклиране може да достигне 107, 84 и 48 mA / g, значително по-висок от капацитета на електролита без добавки след циклиране при различни температури (съответно при 94, 40 и 5 mA/g), а кулоновата ефективност след 90 цикъла на електролита, съдържащ добавката, остава 99,5%.Фигура 4 сравнява производителността на скоростта на двете системи при 20 ° C, -20 ° C и -40 ° C. Намаляването на температурата причинява намаляване на капацитета на батерията, но след добавянето на добавката скоростта работата на батерията е значително подобрена.Например, при -20 ° C, батерията, съдържаща добавката, все още може да достигне капацитет от 38 mA/g при плътност на тока от 2 C, докато батерията без добавката не работи правилно при 2 C.

Фигура 3. Циклична производителност и кулонова ефективност на батерията при различни температури: (a, c) добавки, съдържащи електролит;(b, d) електролит без добавки.

Фигура 4. Скорост на работа на батерията при различни температури: (a, b, c) електролит с добавки;(d, e, f) електролит без добавки.

И накрая, авторите допълнително изследваха основните механизми чрез SEM наблюдение и EIS тестване и изясниха възможните причини за наличието на добавки, за да накарат батерията да показва отлични електрохимични характеристики при ниски температури: 1) PMMA-IL-TFSI структурата инхибира втвърдяването на електролита и Увеличаването на количеството свободно движещи се литиеви йони в системата води до значително увеличаване на електролита при ниски температури;2) увеличаването на свободно движещите се литиеви йони забавя поляризационния ефект по време на зареждане и разреждане, като по този начин образува стабилен SEI филм;3) наличието на йонни течности Филмът SEI е направен по-проводим и насърчава преминаването на литиеви йони през филма SEI, както и бързото прехвърляне на заряда.Може да се види от Фиг. 5, че SEI филмът, образуван от електролитната система, съдържаща добавката, е по-стабилен и здрав и няма очевидни повреди и пукнатини след цикъла, а електролитът и електродът реагират допълнително.Чрез EIS анализ (Фигура 6), за разлика от това, електролитните системи, съдържащи добавки, имат по-малък RSEI и по-малък RCT, което показва по-малко съпротивление на литиеви йони през SEI мембраната и по-бърза миграция от SEI към електрода.

Фигура 5. SEM снимка на литиев лист след края на цикъла при -20 ° C (a, c, d, f) и -40 ° C (b, e): (a, b, c) съдържа добавки;(d, e, f) не съдържа добавки.

Фигура 6. EIS тест при различни температури.

Статията е публикувана в международно известното списание ACS Applied Energy Materials.Основната работа е завършена от д-р Ли Янг, първият автор на статията.