Aditif baru meningkatkan kinerja suhu rendah baterai lithium ion

Gambar 1 adalah proses sintesis aditif.Terutama, rantai molekul cairan ionik dicangkokkan ke nanosfer polimetil metakrilat (PMMA) melalui reaksi untuk membentuk struktur utama seperti sikat, dan kemudian struktur tersebut didispersikan dalam etil asetat (MA).Dan sistem elektrolit baru terbentuk dalam pelarut campuran propilen karbonat (PC).Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, konduktivitas elektrolit menurun dengan penurunan suhu, dan konduktivitas elektrolit yang mengandung etil asetat jauh lebih tinggi daripada elektrolit yang hanya menggunakan propilena karbonat sebagai pelarut, karena Titik beku relatif rendah ( -96 ° C) dan viskositas (0,36 cp) etil asetat mendorong pergerakan cepat ion litium pada suhu rendah.Dapat dilihat dari Gambar 2b bahwa viskositas elektrolit akan meningkat setelah penambahan aditif yang dirancang (PMMA-IL-TFSI), tetapi peningkatan viskositas tidak mempengaruhi konduktivitas elektrolit.Menariknya, penambahan hasil aditif dalam peningkatan substansial dalam konduktivitas elektrolit.Hal ini disebabkan: 1) Cairan ionik menghambat pemadatan elektrolit pada suhu rendah.Efek plastisisasi yang disebabkan oleh adanya cairan ionik mengurangi suhu transisi fase gelas dari sistem elektrolit (Gbr. 2c), sehingga konduksi ion lebih mudah pada kondisi suhu rendah;2) Struktur mikrosfer PMMA yang dicangkokkan oleh cairan ionik dapat dianggap sebagai “konduktor ion tunggal”.Penambahan aditif sangat meningkatkan jumlah ion lithium yang bergerak bebas dalam sistem elektrolit, sehingga meningkatkan konduktivitas elektrolit pada suhu kamar dan juga pada suhu rendah.

Gambar 1. Rute sintetik untuk aditif.

Gambar 2. (a) Konduktivitas elektrolit sebagai fungsi suhu.(b) Viskositas sistem elektrolit pada temperatur yang berbeda.(c) analisis DSC.

Selanjutnya, penulis membandingkan kinerja elektrokimia dari dua sistem elektrolit yang mengandung aditif dan tanpa aditif pada kondisi suhu rendah yang berbeda.Dapat dilihat dari Gambar 3 bahwa setelah beredar 90 siklus pada kerapatan arus 0,5 C, tidak ada perbedaan yang signifikan dalam kapasitas kedua sistem elektrolit pada 20 °C.Saat suhu diturunkan, elektrolit yang mengandung aditif menunjukkan kinerja siklus yang lebih baik daripada elektrolit tanpa aditif.Pada 0 °C, -20 °C dan -40 °C, kapasitas elektrolit yang mengandung aditif setelah bersepeda dapat mencapai 107, 84 dan 48 mA / g, jauh lebih tinggi daripada kapasitas elektrolit tanpa aditif setelah bersepeda pada suhu yang berbeda. suhu (masing-masing Pada 94, 40 dan 5 mA/g), dan efisiensi coulombic setelah 90 siklus elektrolit yang mengandung aditif tetap pada 99,5%.Gambar 4 membandingkan kinerja laju kedua sistem pada suhu 20°C, -20°C, dan -40°C. Penurunan suhu menyebabkan penurunan kapasitas baterai, namun setelah penambahan aditif, laju kinerja baterai sangat meningkat.Misalnya pada suhu -20°C, baterai yang mengandung aditif masih dapat mencapai kapasitas 38 mA/g pada kerapatan arus 2°C, sedangkan baterai tanpa aditif tidak bekerja dengan baik pada suhu 2°C.

Gambar 3. Performa siklik dan efisiensi coulombic baterai pada suhu yang berbeda: (a,c) elektrolit yang mengandung aditif;(b, d) elektrolit tanpa aditif.

Gambar 4. Tingkat kinerja baterai pada temperatur yang berbeda: (a, b, c) elektrolit dengan aditif;(d, e, f) elektrolit tanpa aditif.

Akhirnya, penulis menyelidiki lebih lanjut mekanisme yang mendasari pengamatan SEM dan pengujian EIS, dan mengklarifikasi kemungkinan alasan adanya aditif untuk membuat baterai menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik pada suhu rendah: 1) Struktur PMMA-IL-TFSI menghambat pemadatan elektrolit dan Meningkatkan jumlah ion litium yang bergerak bebas dalam sistem membuat elektrolit sangat meningkat pada suhu rendah;2) peningkatan ion litium yang bergerak bebas memperlambat efek polarisasi selama pengisian dan pengosongan, sehingga membentuk film SEI yang stabil;3) adanya cairan ionik Film SEI dibuat lebih konduktif dan mendorong lewatnya ion litium melalui film SEI, serta transfer muatan yang cepat.Dapat dilihat dari Gambar 5 bahwa film SEI yang dibentuk oleh sistem elektrolit yang mengandung aditif lebih stabil dan kokoh, dan tidak ada kerusakan dan retakan yang jelas setelah siklus, dan elektrolit serta elektroda bereaksi lebih lanjut.Dengan analisis EIS (Gambar 6), sebaliknya, sistem elektrolit yang mengandung aditif memiliki RSEI yang lebih kecil dan RCT yang lebih kecil, menunjukkan resistensi yang lebih kecil dari ion litium melintasi membran SEI dan migrasi lebih cepat dari SEI ke elektroda.

Gambar 5. Foto SEM lembar lithium setelah akhir siklus pada -20 ° C (a, c, d, f) dan -40 ° C (b, e): (a, b, c) mengandung aditif;(d, e , f) tidak mengandung aditif.

Gambar 6. Pengujian EIS pada temperatur yang berbeda.

Artikel tersebut diterbitkan dalam jurnal ACS Applied Energy Materials yang terkenal secara internasional.Pekerjaan utama diselesaikan oleh Dr. Li Yang, penulis pertama makalah ini.