Uued lisandid parandavad liitiumioonakude madalat temperatuuri

Joonisel 1 on kujutatud lisandi sünteesimise protsess.Peamiselt poogitakse ioonne vedel molekulaarahel polümetüülmetakrülaadi (PMMA) nanosfäärile reaktsiooni teel, moodustades pintslitaolise põhistruktuuri, ja seejärel dispergeeritakse struktuur etüülatsetaadis (MA).Ja propüleenkarbonaadi (PC) segalahustis moodustub uus elektrolüüdisüsteem.Nagu on näidatud joonisel 2a, väheneb elektrolüüdi juhtivus temperatuuri langedes ja etüülatsetaati sisaldava elektrolüüdi juhtivus on palju suurem kui elektrolüüdil, kasutades lahustina ainult propüleenkarbonaati, kuna suhteliselt madal külmumistemperatuur ( -96 ° C) ja etüülatsetaadi viskoossus (0,36 cp) soodustavad liitiumioonide kiiret liikumist madalatel temperatuuridel.Jooniselt 2b on näha, et elektrolüüdi viskoossus suureneb pärast kavandatud lisandi (PMMA-IL-TFSI) lisamist, kuid viskoossuse suurenemine ei mõjuta elektrolüüdi juhtivust.Huvitav on see, et lisandi lisamine suurendab oluliselt elektrolüüdi juhtivust.Selle põhjuseks on: 1) Ioonne vedelik pärsib elektrolüüdi tahkumist madalatel temperatuuridel.Ioonse vedeliku olemasolust tingitud plastifitseerimisefekt vähendab elektrolüüdisüsteemi klaasfaasisiirdetemperatuuri (joonis 2c), mistõttu ioonide juhtivus on madala temperatuuri tingimustes lihtsam;2) Ioonse vedelikuga poogitud PMMA mikrosfääri struktuuri võib pidada "ühe-iooniliseks juhiks".Lisandi lisamine suurendab oluliselt vabalt liikuvate liitiumioonide hulka elektrolüüdisüsteemis, suurendades seeläbi elektrolüüdi juhtivust nii toatemperatuuril kui ka madalatel temperatuuridel.

Joonis 1. Lisaainete sünteesitee.

Joonis 2. (a) Elektrolüüdi juhtivus temperatuuri funktsioonina.b) elektrolüüdisüsteemi viskoossus erinevatel temperatuuridel.c) DSC analüüs.

Seejärel võrdlesid autorid kahe elektrolüüdisüsteemi, mis sisaldasid lisandeid ja mitte mingeid lisandeid, elektrokeemilist jõudlust erinevatel madalatel temperatuuridel.Jooniselt 3 on näha, et pärast 90 tsüklit voolutihedusega 0,5 C ei ole kahe elektrolüüdisüsteemi võimsuses 20 °C juures olulist erinevust.Temperatuuri langetamisel on lisandit sisaldaval elektrolüüdil parem tsükliline jõudlus kui ilma lisandita elektrolüüdil.Temperatuuridel 0 °C, -20 °C ja -40 °C võib lisandit sisaldava elektrolüüdi võimsus pärast tsüklit jõuda 107, 84 ja 48 mA / g, mis on oluliselt suurem kui lisanditeta elektrolüüdi maht pärast tsüklit erinevatel temperatuuridel. temperatuuridel (vastavalt 94, 40 ja 5 mA/g) ning lisandit sisaldava elektrolüüdi kulonefektiivsus jäi pärast 90 tsüklit 99,5% juurde.Joonisel 4 võrreldakse kahe süsteemi kiiruse jõudlust temperatuuril 20 ° C, -20 ° C ja -40 ° C. Temperatuuri langus põhjustab aku mahutavuse vähenemist, kuid pärast lisandi lisamist väheneb kiirus aku jõudlus on oluliselt paranenud.Näiteks -20 °C juures võib lisandit sisaldav aku voolutiheduse 2 C juures siiski jõuda 38 mA/g, samas kui lisandita aku ei tööta korralikult 2 C juures.

Joonis 3. Aku tsükliline jõudlus ja kulonefektiivsus erinevatel temperatuuridel: (a, c) elektrolüüti sisaldavad lisandid;(b, d) elektrolüüt ilma lisanditeta.

Joonis 4. Aku kiiruse jõudlus erinevatel temperatuuridel: (a, b, c) elektrolüüt lisanditega;(d, e, f) elektrolüüt ilma lisanditeta.

Lõpuks uurisid autorid SEM-vaatluse ja EIS-testide abil täiendavalt aluseks olevaid mehhanisme ning selgitasid lisandite olemasolu võimalikke põhjuseid, et aku oleks madalatel temperatuuridel suurepärane elektrokeemiline jõudlus: 1) PMMA-IL-TFSI struktuur pärsib elektrolüütide tahkumist ja Süsteemis vabalt liikuvate liitiumioonide hulga suurendamine suurendab madalatel temperatuuridel elektrolüüdi oluliselt;2) vabalt liikuvate liitiumioonide suurenemine aeglustab polarisatsiooniefekti laadimise ja tühjenemise ajal, moodustades seeläbi stabiilse SEI-kile;3) ioonsete vedelike olemasolu SEI kile muudetakse juhtivamaks ja soodustab liitiumioonide läbimist läbi SEI kile, samuti kiiret laengu ülekandmist.Jooniselt fig 5 on näha, et lisandit sisaldava elektrolüüdisüsteemi poolt moodustatud SEI-kile on stabiilsem ja kindlam ning pärast tsüklit ei esine ilmseid kahjustusi ja pragusid ning elektrolüüt ja elektrood reageerivad edasi.Seevastu EIS-analüüsi (joonis 6) põhjal on lisandeid sisaldavatel elektrolüüdisüsteemidel väiksem RSEI ja väiksem RCT, mis näitab väiksemat takistust. liitiumioonid läbi SEI membraani ja kiirem migratsioon SEI-lt elektroodile.

Joonis 5. SEM-foto liitiumlehest pärast tsükli lõppu temperatuuril -20 ° C (a, c, d, f) ja -40 ° C (b, e): (a, b, c) sisaldab lisaaineid;(d, e , f) ei sisalda lisaaineid.

Joonis 6. EIS test erinevatel temperatuuridel.

Artikkel ilmus rahvusvaheliselt tuntud ajakirjas ACS Applied Energy Materials.Põhitöö lõpetas doktor Li Yang, töö esimene autor.