Τα νέα πρόσθετα βελτιώνουν την απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες

Το Σχήμα 1 είναι μια διαδικασία σύνθεσης του πρόσθετου.Κυρίως, η ιοντική υγρή μοριακή αλυσίδα εμβολιάζεται στη νανόσφαιρα του μεθακρυλικού πολυμεθυλεστέρα (PMMA) μέσω αντίδρασης για να σχηματιστεί μια κύρια δομή που μοιάζει με βούρτσα και στη συνέχεια η δομή διασπείρεται σε οξικό αιθυλεστέρα (ΜΑ).Και ένα νέο σύστημα ηλεκτρολυτών σχηματίζεται σε έναν μικτό διαλύτη ανθρακικού προπυλενίου (PC).Όπως φαίνεται στο Σχ. 2α, η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη μειώνεται καθώς μειώνεται η θερμοκρασία και η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη που περιέχει οξικό αιθυλεστέρα είναι πολύ υψηλότερη από αυτή του ηλεκτρολύτη χρησιμοποιώντας μόνο ανθρακικό προπυλένιο ως διαλύτη, επειδή το σχετικά χαμηλό σημείο πήξης ( -96 ° C) και το ιξώδες (0,36 cp) του οξικού αιθυλεστέρα προάγουν την ταχεία κίνηση των ιόντων λιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες.Μπορεί να φανεί από το Σχ. 2b ότι το ιξώδες του ηλεκτρολύτη θα αυξηθεί μετά την προσθήκη του σχεδιασμένου πρόσθετου (PMMA-IL-TFSI), αλλά η αύξηση του ιξώδους δεν επηρεάζει την αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη.Είναι ενδιαφέρον ότι η προσθήκη του πρόσθετου οδηγεί σε σημαντική αύξηση της αγωγιμότητας του ηλεκτρολύτη.Αυτό οφείλεται: 1) Το ιοντικό υγρό αναστέλλει τη στερεοποίηση του ηλεκτρολύτη σε χαμηλές θερμοκρασίες.Το φαινόμενο πλαστικοποίησης που προκαλείται από την παρουσία ιοντικού υγρού μειώνει τη θερμοκρασία μετάπτωσης γυάλινης φάσης του συστήματος ηλεκτρολύτη (Εικ. 2γ), επομένως η αγωγιμότητα των ιόντων είναι ευκολότερη υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας.2) Η δομή μικροσφαιρών PMMA εμβολιασμένη από ιοντικό υγρό μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι "αγωγός ενός ιόντος".Η προσθήκη του πρόσθετου αυξάνει σημαντικά την ποσότητα των ελεύθερα κινούμενων ιόντων λιθίου στο σύστημα ηλεκτρολυτών, αυξάνοντας έτσι την αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη σε θερμοκρασία δωματίου καθώς και σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Εικόνα 1. Συνθετική οδός για πρόσθετα.

Σχήμα 2. (α) Η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.(β) Ιξώδες του συστήματος ηλεκτρολυτών σε διαφορετικές θερμοκρασίες.(γ) Ανάλυση DSC.

Στη συνέχεια, οι συγγραφείς συνέκριναν την ηλεκτροχημική απόδοση δύο συστημάτων ηλεκτρολυτών που περιέχουν πρόσθετα και χωρίς πρόσθετα σε διαφορετικές συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας.Μπορεί να φανεί από το Σχ. 3 ότι μετά από κυκλοφορία 90 κύκλων σε πυκνότητα ρεύματος 0,5 C, δεν υπάρχει σημαντική διαφορά στην ικανότητα των δύο συστημάτων ηλεκτρολυτών στους 20 °C.Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, ο ηλεκτρολύτης που περιέχει το πρόσθετο παρουσιάζει ανώτερη απόδοση κύκλου από τον ηλεκτρολύτη χωρίς το πρόσθετο.Στους 0 °C, -20 °C και -40 °C, η χωρητικότητα του ηλεκτρολύτη που περιέχει το πρόσθετο μετά την ανακύκλωση μπορεί να φτάσει τα 107, 84 και 48 mA / g, σημαντικά υψηλότερη από την χωρητικότητα του ηλεκτρολύτη χωρίς πρόσθετα μετά την ανακύκλωση σε διαφορετικές θερμοκρασίες (αντίστοιχα Στα 94, 40 και 5 mA/g), και η κουλομβική απόδοση μετά από 90 κύκλους του ηλεκτρολύτη που περιείχε το πρόσθετο παρέμεινε στο 99,5%.Το σχήμα 4 συγκρίνει την απόδοση ρυθμού των δύο συστημάτων στους 20 ° C, -20 ° C και -40 ° C. Μια μείωση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση της χωρητικότητας της μπαταρίας, αλλά μετά την προσθήκη του πρόσθετου, ο ρυθμός η απόδοση της μπαταρίας βελτιώνεται σημαντικά.Για παράδειγμα, στους -20 ° C, η μπαταρία που περιέχει το πρόσθετο μπορεί να φτάσει σε χωρητικότητα 38 mA/g σε πυκνότητα ρεύματος 2 C, ενώ η μπαταρία χωρίς το πρόσθετο δεν λειτουργεί σωστά στους 2 C.

Σχήμα 3. Κυκλική απόδοση και κουλομβική απόδοση της μπαταρίας σε διαφορετικές θερμοκρασίες: (α, γ) πρόσθετα που περιέχουν ηλεκτρολύτη.(β, δ) ηλεκτρολύτης χωρίς πρόσθετα.

Σχήμα 4. Βαθμολογήστε την απόδοση της μπαταρίας σε διαφορετικές θερμοκρασίες: (α, β, γ) ηλεκτρολύτης με πρόσθετα.(δ, ε, στ) ηλεκτρολύτης χωρίς πρόσθετα.

Τέλος, οι συγγραφείς διερεύνησαν περαιτέρω τους υποκείμενους μηχανισμούς με την παρατήρηση SEM και τη δοκιμή EIS και διευκρίνισαν τους πιθανούς λόγους για την παρουσία πρόσθετων που κάνουν τη μπαταρία να παρουσιάζει εξαιρετική ηλεκτροχημική απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες: 1) Η δομή PMMA-IL-TFSI αναστέλλει τη στερεοποίηση του ηλεκτρολύτη και Η αύξηση της ποσότητας των ελεύθερα κινούμενων ιόντων λιθίου στο σύστημα κάνει τον ηλεκτρολύτη να αυξάνεται πολύ σε χαμηλές θερμοκρασίες.2) η αύξηση των ελεύθερα κινούμενων ιόντων λιθίου επιβραδύνει το φαινόμενο πόλωσης κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, σχηματίζοντας έτσι ένα σταθερό φιλμ SEI.3) η παρουσία ιοντικών υγρών Το φιλμ SEI γίνεται πιο αγώγιμο και προωθεί τη διέλευση ιόντων λιθίου μέσω του φιλμ SEI, καθώς και την ταχεία μεταφορά φορτίου.Μπορεί να φανεί από το Σχ. 5 ότι το φιλμ SEI που σχηματίζεται από το σύστημα ηλεκτρολύτη που περιέχει το πρόσθετο είναι πιο σταθερό και σταθερό, και δεν υπάρχει εμφανής ζημιά και ρωγμές μετά τον κύκλο, και ο ηλεκτρολύτης και το ηλεκτρόδιο αντιδρούν περαιτέρω.Με ανάλυση EIS (Εικόνα 6), αντίθετα, τα συστήματα ηλεκτρολυτών που περιέχουν πρόσθετα έχουν μικρότερο RSEI και μικρότερο RCT, υποδεικνύοντας μικρότερη αντίσταση ιόντα λιθίου κατά μήκος της μεμβράνης SEI και ταχύτερη μετανάστευση από το SEI στο ηλεκτρόδιο.

Εικόνα 5. Φωτογραφία SEM του φύλλου λιθίου μετά το τέλος του κύκλου στους -20 ° C (a, c, d, f) και -40 ° C (b, e): (a, b, c) περιέχει πρόσθετα.(d, e , f) δεν περιέχει πρόσθετα.

Εικόνα 6. Δοκιμή EIS σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Το άρθρο δημοσιεύτηκε στο διεθνούς φήμης περιοδικό ACS Applied Energy Materials.Η κύρια εργασία ολοκληρώθηκε από τον Δρ. Li Yang, τον πρώτο συγγραφέα της εργασίας.