Els nous additius milloren el rendiment a baixa temperatura de les bateries d'ions de liti

La figura 1 és un procés de síntesi de l'additiu.Principalment, la cadena molecular iònica líquida s'empelta a la nanosfera de polimetilmetacrilat (PMMA) per reacció per formar una estructura principal semblant a un raspall, i després l'estructura es dispersa en acetat d'etil (MA).I es forma un nou sistema d'electròlits en un dissolvent mixt de carbonat de propilè (PC).Com es mostra a la figura 2a, la conductivitat de l'electròlit disminueix a mesura que disminueix la temperatura, i la conductivitat de l'electròlit que conté acetat d'etil és molt superior a la de l'electròlit que utilitza només carbonat de propilè com a dissolvent, perquè el punt de congelació relativament baix ( -96 ° C) i la viscositat (0,36 cp) de l'acetat d'etil afavoreixen el moviment ràpid dels ions de liti a baixes temperatures.A la figura 2b es pot veure que la viscositat de l'electròlit augmentarà després de l'addició de l'additiu dissenyat (PMMA-IL-TFSI), però l'augment de la viscositat no afecta la conductivitat de l'electròlit.Curiosament, l'addició de l'additiu provoca un augment substancial de la conductivitat de l'electròlit.Això es deu a: 1) El líquid iònic inhibeix la solidificació de l'electròlit a baixes temperatures.L'efecte de plastificació causat per la presència de líquid iònic redueix la temperatura de transició de fase de vidre del sistema d'electròlits (Fig. 2c), de manera que la conducció iònica és més fàcil en condicions de baixa temperatura;2) L'estructura de la microesfera de PMMA empeltada per líquid iònic es pot considerar com un "conductor d'un sol ió".L'addició de l'additiu augmenta considerablement la quantitat d'ions de liti que es mouen lliurement al sistema d'electròlits, augmentant així la conductivitat de l'electròlit a temperatura ambient i a baixes temperatures.

Figura 1. Via sintètica dels additius.

Figura 2. (a) La conductivitat de l'electròlit en funció de la temperatura.(b) Viscositat del sistema electròlit a diferents temperatures.(c) Anàlisi DSC.

Posteriorment, els autors van comparar el rendiment electroquímic de dos sistemes d'electròlits que contenien additius i cap additiu a diferents condicions de baixa temperatura.A la figura 3 es pot veure que després de circular 90 cicles a una densitat de corrent de 0,5 C, no hi ha cap diferència significativa en la capacitat dels dos sistemes d'electròlits a 20 °C.A mesura que es redueix la temperatura, l'electròlit que conté l'additiu presenta un rendiment de cicle superior que l'electròlit sense additiu.A 0 °C, -20 °C i -40 °C, la capacitat de l'electròlit que conté l'additiu després del cicle pot arribar a 107, 84 i 48 mA / g, significativament superior a la capacitat de l'electròlit sense additius després del cicle a diferents temperatures (respectivament a 94, 40 i 5 mA/g) i l'eficiència coulombica després de 90 cicles de l'electròlit que conté l'additiu es va mantenir al 99,5%.La figura 4 compara el rendiment de la velocitat dels dos sistemes a 20 ° C, -20 ° C i -40 ° C. Una disminució de la temperatura provoca una disminució de la capacitat de la bateria, però després de l'addició de l'additiu, la velocitat el rendiment de la bateria millora molt.Per exemple, a -20 ° C, la bateria que conté l'additiu encara pot assolir una capacitat de 38 mA/g a una densitat de corrent de 2 C, mentre que la bateria sense l'additiu no funciona correctament a 2 C.

Figura 3. Rendiment cíclic i eficiència coulombica de la bateria a diferents temperatures: (a, c) electròlit que conté additius;(b, d) electròlit sense additius.

Figura 4. Taxa de rendiment de la bateria a diferents temperatures: (a, b, c) electròlit amb additius;(d, e, f) electròlit sense additius.

Finalment, els autors van investigar encara més els mecanismes subjacents mitjançant l'observació SEM i les proves EIS, i van aclarir les possibles raons de la presència d'additius per fer que la bateria mostri un excel·lent rendiment electroquímic a baixes temperatures: 1) L'estructura PMMA-IL-TFSI inhibeix la solidificació d'electròlits i L'augment de la quantitat d'ions de liti que es mouen lliurement al sistema fa que l'electròlit augmenti molt a baixes temperatures;2) l'augment dels ions de liti que es mouen lliurement frena l'efecte de polarització durant la càrrega i la descàrrega, formant així una pel·lícula SEI estable;3) la presència de líquids iònics La pel·lícula SEI es fa més conductora i afavoreix el pas dels ions de liti a través de la pel·lícula SEI, així com una ràpida transferència de càrrega.A la figura 5 es pot veure que la pel·lícula SEI formada pel sistema electròlit que conté l'additiu és més estable i ferma, i no hi ha danys i esquerdes evidents després del cicle, i l'electròlit i l'elèctrode reaccionen encara més.Per l'anàlisi EIS (figura 6), en canvi, els sistemes d'electròlits que contenen additius tenen un RSEI més petit i un RCT més petit, cosa que indica menys resistència de ions de liti a través de la membrana SEI i una migració més ràpida de SEI a l'elèctrode.

Figura 5. Foto SEM de la làmina de liti després del final del cicle a -20 °C (a, c, d, f) i -40 °C (b, e): (a, b, c) conté additius;(d, e, f) no conté additius.

Figura 6. Prova EIS a diferents temperatures.

L'article es va publicar a la revista de renom internacional ACS Applied Energy Materials.El treball principal va ser completat pel Dr. Li Yang, el primer autor de l'article.