Nye tilsætningsstoffer forbedrer ydeevnen ved lav temperatur af lithium-ion-batterier

Figur 1 er en proces til at syntetisere additivet. Hovedsageligt podes den ioniske væskemolekylære kæde på polymethylmethacrylat (PMMA) nanosfæren ved reaktion for at danne en børstelignende hovedstruktur, og derefter dispergeres strukturen i ethylacetat (MA). Og et nyt elektrolytsystem dannes i et blandet opløsningsmiddel af propylencarbonat (PC). Som vist i fig. 2a falder elektrolyttens ledningsevne, når temperaturen falder, og ledningsevnen af ​​elektrolytten indeholdende ethylacetat er meget højere end elektrolyttens ledningsevne, der kun bruger propylencarbonat som opløsningsmiddel, fordi det relativt lave frysepunkt ( -96 ° C) og viskositet (0,36 cp) af ethylacetat fremmer den hurtige bevægelse af lithiumioner ved lave temperaturer. Det kan ses af fig. 2b, at elektrolyttens viskositet vil stige efter tilsætningen af ​​det designede additiv (PMMA-IL-TFSI), men stigningen i viskositeten påvirker ikke elektrolyttens ledningsevne. Interessant nok resulterer tilsætningen af ​​additivet i en væsentlig stigning i elektrolyttens ledningsevne. Dette skyldes: 1) Den ioniske væske hæmmer størkningen af ​​elektrolytten ved lave temperaturer. Plastificeringseffekten forårsaget af tilstedeværelsen af ​​ionisk væske reducerer glasfaseovergangstemperaturen i elektrolytsystemet (fig. 2c), så ionledning er lettere under lave temperaturforhold; 2) PMMA mikrosfærestruktur podet med ionisk væske kan betragtes som en "enkelt-ion leder". Tilsætningen af ​​additivet øger i høj grad mængden af ​​frit bevægende lithium-ioner i elektrolytsystemet og øger derved elektrolyttens ledningsevne ved stuetemperatur såvel som ved lave temperaturer.

Figur 1. Syntetisk vej for tilsætningsstoffer.

Figur 2. (a) Elektrolyttens ledningsevne som funktion af temperatur. (b) Viskositet af elektrolytsystemet ved forskellige temperaturer. (c) DSC-analyse.

Efterfølgende sammenlignede forfatterne den elektrokemiske ydeevne af to elektrolytsystemer indeholdende additiver og ingen additiver ved forskellige lave temperaturforhold. Det kan ses af fig. 3, at efter at have cirkuleret 90 cyklusser ved en strømtæthed på 0,5 C, er der ingen signifikant forskel i kapaciteten af ​​de to elektrolytsystemer ved 20 °C. Når temperaturen sænkes, udviser elektrolytten, der indeholder additivet, overlegen cyklusydelse end elektrolytten uden additivet. Ved 0 °C, -20 °C og -40 °C kan kapaciteten af ​​elektrolytten, der indeholder additivet efter cykling nå 107, 84 og 48 mA/g, betydeligt højere end kapaciteten af ​​elektrolytten uden additiver efter cykling ved forskellige temperaturer (henholdsvis 94, 40 og 5 mA/g), og den coulombiske effektivitet efter 90 cyklusser af elektrolytten indeholdende additivet forblev på 99,5%. Figur 4 sammenligner hastighedsydelsen for de to systemer ved 20 ° C, -20 ° C og -40 ° C. Et fald i temperaturen forårsager et fald i batteriets kapacitet, men efter tilsætning af additivet vil hastigheden batteriets ydeevne er væsentligt forbedret. For eksempel ved -20 ° C kan batteriet, der indeholder additivet, stadig nå en kapacitet på 38 mA/g ved en strømtæthed på 2 C, mens batteriet uden additivet ikke fungerer korrekt ved 2 C.

Figur 3. Batteriets cykliske ydeevne og coulombiske effektivitet ved forskellige temperaturer: (a, c) elektrolytholdige additiver; b, d) elektrolyt uden tilsætningsstoffer.

Figur 4. Vurder batteriets ydeevne ved forskellige temperaturer: (a, b, c) elektrolyt med additiver; (d, e, f) elektrolyt uden tilsætningsstoffer.

Endelig undersøgte forfatterne yderligere de underliggende mekanismer ved SEM-observation og EIS-testning og afklarede de mulige årsager til tilstedeværelsen af ​​additiver for at få batteriet til at udvise fremragende elektrokemisk ydeevne ved lave temperaturer: 1) PMMA-IL-TFSI-struktur hæmmer elektrolytstørkning og Forøgelse af mængden af ​​frit bevægende lithiumioner i systemet får elektrolytten til at stige kraftigt ved lave temperaturer; 2) stigningen af ​​frit bevægende lithiumioner sænker polarisationseffekten under opladning og afladning, hvorved der dannes en stabil SEI-film; 3) tilstedeværelsen af ​​ioniske væsker SEI-filmen gøres mere ledende og fremmer passagen af ​​lithiumioner gennem SEI-filmen, samt hurtig ladningsoverførsel. Det kan ses af fig. 5, at SEI-filmen dannet af elektrolytsystemet indeholdende additivet er mere stabil og fast, og der er ingen tydelige skader og revner efter cyklussen, og elektrolytten og elektroden reageres yderligere. Ved EIS-analyse (figur 6) har elektrolytsystemer, der indeholder additiver, i modsætning hertil mindre RSEI og mindre RCT, hvilket indikerer mindre modstand af lithium ioner på tværs af SEI-membranen og hurtigere migration fra SEI til elektroden.

Figur 5. SEM-foto af lithiumarket efter afslutningen af ​​cyklussen ved -20 ° C (a, c, d, f) og -40 ° C (b, e): (a, b, c) indeholder tilsætningsstoffer; (d, e, f) indeholder ingen tilsætningsstoffer.

Figur 6. EIS-test ved forskellige temperaturer.

Artiklen blev publiceret i det internationalt anerkendte tidsskrift ACS Applied Energy Materials. Hovedværket blev afsluttet af Dr. Li Yang, den første forfatter til papiret.