Os novos aditivos melloran o rendemento a baixa temperatura das baterías de ión de litio

A figura 1 é un proceso de síntese do aditivo.Principalmente, a cadea molecular líquida iónica inxerta na nanosfera de polimetilmetacrilato (PMMA) por reacción para formar unha estrutura principal tipo cepillo, e despois a estrutura dispersase en acetato de etilo (MA).E fórmase un novo sistema de electrólitos nun disolvente mixto de carbonato de propileno (PC).Como se mostra na figura 2a, a condutividade do electrólito diminúe a medida que diminúe a temperatura, e a condutividade do electrólito que contén acetato de etilo é moito maior que a do electrólito usando só carbonato de propileno como disolvente, porque o punto de conxelación relativamente baixo ( -96 ° C) e a viscosidade (0,36 cp) do acetato de etilo promoven o movemento rápido dos ións de litio a baixas temperaturas.Na figura 2b pódese ver que a viscosidade do electrólito aumentará despois da adición do aditivo deseñado (PMMA-IL-TFSI), pero o aumento da viscosidade non afecta a condutividade do electrólito.Curiosamente, a adición do aditivo produce un aumento substancial da condutividade do electrólito.Isto débese a: 1) O líquido iónico inhibe a solidificación do electrólito a baixas temperaturas.O efecto de plastificación causado pola presenza de líquido iónico reduce a temperatura de transición de fase vítrea do sistema de electrólitos (Fig. 2c), polo que a condución iónica é máis fácil en condicións de baixa temperatura;2) A estrutura de microesferas de PMMA enxertada por líquido iónico pódese considerar que é un "condutor dun só ión".A adición do aditivo aumenta moito a cantidade de ións de litio que se moven libremente no sistema de electrólitos, aumentando así a condutividade do electrólito a temperatura ambiente e a baixas temperaturas.

Figura 1. Vía sintética para aditivos.

Figura 2. (a) A condutividade do electrólito en función da temperatura.(b) Viscosidade do sistema electrolítico a diferentes temperaturas.(c) Análise DSC.

Posteriormente, os autores compararon o rendemento electroquímico de dous sistemas de electrólitos que conteñen aditivos e ningún aditivo en diferentes condicións de baixa temperatura.Pódese ver na figura 3 que despois de circular 90 ciclos a unha densidade de corrente de 0,5 °C, non hai diferenza significativa na capacidade dos dous sistemas de electrólitos a 20 °C.Ao baixar a temperatura, o electrólito que contén o aditivo presenta un rendemento de ciclo superior que o electrólito sen aditivo.A 0 °C, -20 °C e -40 °C, a capacidade do electrólito que contén o aditivo despois do ciclo pode alcanzar os 107, 84 e 48 mA / g, significativamente superior á capacidade do electrólito sen aditivos despois do ciclo a diferentes temperaturas. temperaturas (respectivamente a 94, 40 e 5 mA/g), e a eficiencia coulombica despois de 90 ciclos do electrólito que contén o aditivo mantívose no 99,5%.A Figura 4 compara o rendemento da taxa dos dous sistemas a 20 ° C, -20 ° C e -40 ° C. Unha diminución da temperatura provoca unha diminución da capacidade da batería, pero despois da adición do aditivo, a taxa o rendemento da batería mellora moito.Por exemplo, a -20 ° C, a batería que contén o aditivo aínda pode alcanzar unha capacidade de 38 mA/g cunha densidade de corrente de 2 C, mentres que a batería sen o aditivo non funciona correctamente a 2 C.

Figura 3. Rendemento cíclico e eficiencia coulombica da batería a diferentes temperaturas: (a, c) aditivos que conteñen electrólitos;(b, d) electrólito sen aditivos.

Figura 4. Valora o rendemento da batería a diferentes temperaturas: (a, b, c) electrólito con aditivos;(d, e, f) electrólito sen aditivos.

Finalmente, os autores investigaron aínda máis os mecanismos subxacentes mediante a observación SEM e as probas EIS, e aclararon os posibles motivos da presenza de aditivos para que a batería presente un excelente rendemento electroquímico a baixas temperaturas: 1) A estrutura PMMA-IL-TFSI inhibe a solidificación dos electrólitos e O aumento da cantidade de ións de litio que se moven libremente no sistema fai que o electrólito aumente moito a baixas temperaturas;2) o aumento dos ións de litio que se moven libremente ralentiza o efecto de polarización durante a carga e a descarga, formando así unha película SEI estable;3) a presenza de líquidos iónicos A película SEI faise máis condutora e favorece o paso dos ións de litio a través da película SEI, así como a rápida transferencia de carga.Pódese ver na figura 5 que a película SEI formada polo sistema de electrólitos que contén o aditivo é máis estable e firme, e non hai danos e gretas evidentes despois do ciclo, e o electrólito e o electrodo reaccionan aínda máis.Pola análise EIS (Figura 6), en cambio, os sistemas de electrólitos que conteñen aditivos teñen menor RSEI e menor RCT, o que indica unha menor resistencia de ións de litio a través da membrana SEI e unha migración máis rápida do SEI ao electrodo.

Figura 5. Foto SEM da folla de litio despois do final do ciclo a -20 ° C (a, c, d, f) e -40 ° C (b, e): (a, b, c) contén aditivos;(d, e, f) non contén aditivos.

Figura 6. Proba EIS a diferentes temperaturas.

O artigo foi publicado na revista de renome internacional ACS Applied Energy Materials.O traballo principal foi rematado polo doutor Li Yang, o primeiro autor do artigo.