De nouveaux additifs améliorent les performances à basse température des batteries lithium-ion

La figure 1 est un processus de synthèse de l'additif. Principalement, la chaîne moléculaire liquide ionique est greffée sur la nanosphère de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) par réaction pour former une structure principale en forme de brosse, puis la structure est dispersée dans de l'acétate d'éthyle (MA). Et un nouveau système électrolytique est formé dans un solvant mixte de carbonate de propylène (PC). Comme le montre la figure 2a, la conductivité de l'électrolyte diminue à mesure que la température diminue, et la conductivité de l'électrolyte contenant de l'acétate d'éthyle est beaucoup plus élevée que celle de l'électrolyte utilisant uniquement du carbonate de propylène comme solvant, car le point de congélation relativement bas ( -96°C) et la viscosité (0,36 cp) de l'acétate d'éthyle favorisent le mouvement rapide des ions lithium à basse température. La figure 2b montre que la viscosité de l'électrolyte augmentera après l'ajout de l'additif conçu (PMMA-IL-TFSI), mais l'augmentation de la viscosité n'affecte pas la conductivité de l'électrolyte. Il est intéressant de noter que l’ajout de l’additif entraîne une augmentation substantielle de la conductivité de l’électrolyte. Cela est dû à : 1) Le liquide ionique inhibe la solidification de l'électrolyte à basse température. L'effet de plastification provoqué par la présence de liquide ionique réduit la température de transition de phase vitreuse du système électrolytique (Fig. 2c), de sorte que la conduction ionique est plus facile dans des conditions de basse température ; 2) La structure des microsphères de PMMA greffées par un liquide ionique peut être considérée comme un « conducteur mono-ion ». L'ajout de l'additif augmente considérablement la quantité d'ions lithium en mouvement libre dans le système électrolytique, augmentant ainsi la conductivité de l'électrolyte à température ambiante ainsi qu'à basse température.

Figure 1. Voie synthétique des additifs.

Figure 2. (a) La conductivité de l'électrolyte en fonction de la température. (b) Viscosité du système électrolytique à différentes températures. (c) Analyse DSC.

Par la suite, les auteurs ont comparé les performances électrochimiques de deux systèmes électrolytiques contenant des additifs et sans additifs dans différentes conditions de basse température. La figure 3 montre qu'après 90 cycles de circulation à une densité de courant de 0,5 C, il n'y a pas de différence significative dans la capacité des deux systèmes électrolytiques à 20 °C. Lorsque la température diminue, l'électrolyte contenant l'additif présente des performances de cycle supérieures à celles de l'électrolyte sans additif. A 0 °C, -20 °C et -40 °C, la capacité de l'électrolyte contenant l'additif après cyclage peut atteindre 107, 84 et 48 mA/g, nettement supérieure à la capacité de l'électrolyte sans additifs après cyclage à différentes températures. températures (respectivement à 94, 40 et 5 mA/g), et le rendement coulombien après 90 cycles de l'électrolyte contenant l'additif est resté à 99,5 %. La figure 4 compare les performances de taux des deux systèmes à 20°C, -20°C, et -40°C. Une diminution de température entraîne une diminution de la capacité de la batterie, mais après l'ajout de l'additif, le taux les performances de la batterie sont grandement améliorées. Par exemple, à -20°C, la batterie contenant l'additif peut encore atteindre une capacité de 38 mA/g à une densité de courant de 2 C, alors que la batterie sans l'additif ne fonctionne pas correctement à 2 C.

Figure 3. Performances cycliques et efficacité coulombienne de la batterie à différentes températures : (a, c) électrolyte contenant des additifs ; (b, d) électrolyte sans additifs.

Figure 4. Performances nominales de la batterie à différentes températures : (a, b, c) électrolyte avec additifs ; (d, e, f) électrolyte sans additifs.

Enfin, les auteurs ont étudié plus en détail les mécanismes sous-jacents par observation SEM et tests EIS, et ont clarifié les raisons possibles de la présence d'additifs permettant à la batterie de présenter d'excellentes performances électrochimiques à basse température : 1) La structure PMMA-IL-TFSI inhibe la solidification de l'électrolyte et L'augmentation de la quantité d'ions lithium en mouvement libre dans le système entraîne une augmentation considérable de l'électrolyte à basse température ; 2) l'augmentation des ions lithium en mouvement libre ralentit l'effet de polarisation pendant la charge et la décharge, formant ainsi un film SEI stable ; 3) la présence de liquides ioniques Le film SEI est rendu plus conducteur et favorise le passage des ions lithium à travers le film SEI, ainsi qu'un transfert de charge rapide. On peut voir sur la figure 5 que le film SEI formé par le système électrolytique contenant l'additif est plus stable et plus ferme, et qu'il n'y a pas de dommages ni de fissures évidents après le cycle, et que l'électrolyte et l'électrode réagissent davantage. Par analyse EIS (Figure 6), en revanche, les systèmes électrolytiques contenant des additifs ont un RSEI plus petit et un RCT plus petit, indiquant une moindre résistance de ions lithium à travers la membrane SEI et une migration plus rapide du SEI vers l’électrode.

Figure 5. Photo MEB de la feuille de lithium après la fin du cycle à -20°C (a, c, d, f) et -40°C (b, e) : (a, b, c) contient des additifs ; (d, e, f) ne contient aucun additif.

Figure 6. Test EIS à différentes températures.

L'article a été publié dans la revue de renommée internationale ACS Applied Energy Materials. Le travail principal a été réalisé par le Dr Li Yang, le premier auteur de l'article.