Novi aditivi poboljšavaju performanse litij-ionskih baterija na niskim temperaturama

Slika 1 je proces sinteze aditiva.Uglavnom, molekularni lanac ionske tekućine cijepi se na nanosferu polimetil metakrilata (PMMA) reakcijom kako bi se formirala glavna struktura nalik na četku, a zatim se struktura dispergira u etil acetatu (MA).Novi sustav elektrolita nastaje u miješanom otapalu propilen karbonata (PC).Kao što je prikazano na slici 2a, vodljivost elektrolita opada kako se temperatura smanjuje, a vodljivost elektrolita koji sadrži etil acetat mnogo je veća od one kod elektrolita koji koristi samo propilen karbonat kao otapalo, jer je relativno niska točka ledišta ( -96 ° C) i viskoznost (0,36 cp) etil acetata promiču brzo kretanje litijevih iona na niskim temperaturama.Iz slike 2b vidljivo je da će se viskoznost elektrolita povećati nakon dodatka projektiranog aditiva (PMMA-IL-TFSI), ali povećanje viskoznosti ne utječe na vodljivost elektrolita.Zanimljivo je da dodavanje aditiva rezultira znatnim povećanjem vodljivosti elektrolita.To je zbog: 1) Ionska tekućina inhibira skrućivanje elektrolita na niskim temperaturama.Učinak plastificiranja izazvan prisutnošću ionske tekućine smanjuje temperaturu staklastog faznog prijelaza sustava elektrolita (Sl. 2c), pa je vođenje iona lakše u uvjetima niske temperature;2) Struktura PMMA mikrosfera cijepljena ionskom tekućinom može se smatrati "jednostrukim ionskim vodičem".Dodavanje aditiva uvelike povećava količinu slobodno pokretnih litijevih iona u sustavu elektrolita, čime se povećava vodljivost elektrolita na sobnoj temperaturi kao i na niskim temperaturama.

Slika 1. Sintetski put za aditive.

Slika 2. (a) Vodljivost elektrolita u ovisnosti o temperaturi.(b) Viskoznost elektrolitskog sustava pri različitim temperaturama.(c) DSC analiza.

Nakon toga, autori su usporedili elektrokemijsku izvedbu dvaju sustava elektrolita koji sadrže aditive i bez aditiva pri različitim uvjetima niske temperature.Iz slike 3 može se vidjeti da nakon 90 ciklusa kruženja pri gustoći struje od 0,5 C, nema značajne razlike u kapacitetu dvaju elektrolitskih sustava pri 20 °C.Kako se temperatura snižava, elektrolit koji sadrži aditiv pokazuje bolje performanse ciklusa od elektrolita bez aditiva.Na 0 °C, -20 °C i -40 °C, kapacitet elektrolita koji sadrži aditiv nakon ciklusa može doseći 107, 84 i 48 mA/g, što je značajno više od kapaciteta elektrolita bez aditiva nakon ciklusa na različitim temperaturama (odnosno na 94, 40 i 5 mA/g), a kulonska učinkovitost nakon 90 ciklusa elektrolita koji je sadržavao aditiv ostala je na 99,5%.Slika 4 uspoređuje performanse brzine dvaju sustava na 20 °C, -20 °C i -40 °C. Pad temperature uzrokuje smanjenje kapaciteta baterije, ali nakon dodavanja aditiva, brzina performanse baterije su znatno poboljšane.Na primjer, pri -20 °C, baterija koja sadrži aditiv još uvijek može postići kapacitet od 38 mA/g pri gustoći struje od 2 C, dok baterija bez aditiva ne radi ispravno na 2 C.

Slika 3. Ciklička izvedba i kulonska učinkovitost baterije pri različitim temperaturama: (a, c) aditivi koji sadrže elektrolit;(b, d) elektrolit bez aditiva.

Slika 4. Brzina rada baterije pri različitim temperaturama: (a, b, c) elektrolit s dodacima;(d, e, f) elektrolit bez aditiva.

Konačno, autori su dodatno istražili temeljne mehanizme pomoću SEM promatranja i EIS testiranja i razjasnili moguće razloge prisutnosti aditiva kako bi baterija pokazala izvrsne elektrokemijske performanse na niskim temperaturama: 1) PMMA-IL-TFSI struktura inhibira skrućivanje elektrolita i Povećanje količine litijevih iona koji se slobodno kreću u sustavu dovodi do značajnog porasta elektrolita na niskim temperaturama;2) povećanje slobodno pokretnih litijevih iona usporava učinak polarizacije tijekom punjenja i pražnjenja, čime se stvara stabilan SEI film;3) prisutnost ionskih tekućina. SEI film je vodljiviji i potiče prolazak litijevih iona kroz SEI film, kao i brzi prijenos naboja.Na slici 5. može se vidjeti da je SEI film formiran elektrolitskim sustavom koji sadrži aditiv stabilniji i čvršći, te nema očitih oštećenja i pukotina nakon ciklusa, a elektrolit i elektroda dalje reagiraju.EIS analizom (Slika 6), nasuprot tome, sustavi elektrolita koji sadrže aditive imaju manji RSEI i manji RCT, što ukazuje na manju otpornost litijevi ioni preko SEI membrane i bržu migraciju od SEI do elektrode.

Slika 5. SEM fotografija litijskog lista nakon završetka ciklusa na -20 °C (a, c, d, f) i -40 °C (b, e): (a, b, c) sadrži aditive;(d, e, f) ne sadrži aditive.

Slika 6. EIS test na različitim temperaturama.

Članak je objavljen u međunarodno poznatom časopisu ACS Applied Energy Materials.Glavni rad dovršio je dr. Li Yang, prvi autor rada.