Nuovi additivi migliorano le prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio

La Figura 1 è un processo di sintesi dell'additivo. Principalmente, la catena molecolare liquida ionica viene innestata sulla nanosfera di polimetilmetacrilato (PMMA) mediante reazione per formare una struttura principale a forma di pennello, quindi la struttura viene dispersa in acetato di etile (MA). E un nuovo sistema elettrolitico si forma in un solvente misto di carbonato di propilene (PC). Come mostrato in Fig. 2a, la conduttività dell'elettrolita diminuisce al diminuire della temperatura e la conduttività dell'elettrolita contenente acetato di etile è molto più elevata di quella dell'elettrolita che utilizza solo carbonato di propilene come solvente, poiché il punto di congelamento relativamente basso ( -96°C) e la viscosità (0,36 cp) dell'acetato di etile favoriscono il rapido movimento degli ioni di litio alle basse temperature. Dalla Figura 2b si può vedere che la viscosità dell'elettrolita aumenterà dopo l'aggiunta dell'additivo progettato (PMMA-IL-TFSI), ma l'aumento della viscosità non influisce sulla conduttività dell'elettrolita. È interessante notare che l'aggiunta dell'additivo determina un aumento sostanziale della conduttività dell'elettrolita. Ciò è dovuto a: 1) Il liquido ionico inibisce la solidificazione dell'elettrolita a basse temperature. L'effetto di plastificazione causato dalla presenza di liquido ionico riduce la temperatura di transizione della fase vetrosa del sistema elettrolitico (Fig. 2c), quindi la conduzione ionica è più semplice in condizioni di bassa temperatura; 2) La struttura della microsfera di PMMA innestata da un liquido ionico può essere considerata come un "conduttore a ione singolo". L'aggiunta dell'additivo aumenta notevolmente la quantità di ioni di litio che si muovono liberamente nel sistema elettrolitico, aumentando così la conduttività dell'elettrolita sia a temperatura ambiente che a basse temperature.

Figura 1. Via sintetica per gli additivi.

Figura 2. (a) La conduttività dell'elettrolita in funzione della temperatura. (b) Viscosità del sistema elettrolitico a diverse temperature. (c) Analisi DSC.

Successivamente, gli autori hanno confrontato le prestazioni elettrochimiche di due sistemi elettrolitici contenenti additivi e senza additivi in ​​diverse condizioni di bassa temperatura. Dalla Fig. 3 si può vedere che dopo aver fatto circolare 90 cicli con una densità di corrente di 0,5 C, non vi è alcuna differenza significativa nella capacità dei due sistemi elettrolitici a 20 °C. Quando la temperatura si abbassa, l'elettrolita contenente l'additivo mostra prestazioni del ciclo superiori rispetto all'elettrolita senza l'additivo. A 0 °C, -20 °C e -40 °C, la capacità dell'elettrolita contenente l'additivo dopo il ciclo può raggiungere 107, 84 e 48 mA / g, significativamente superiore alla capacità dell'elettrolita senza additivi dopo il ciclo a diverse temperature (rispettivamente 94, 40 e 5 mA/g), e l'efficienza coulombiana dopo 90 cicli dell'elettrolita contenente l'additivo è rimasta al 99,5%. La Figura 4 confronta le prestazioni prestazionali dei due sistemi a 20°C, -20°C e -40°C. Una diminuzione della temperatura provoca una diminuzione della capacità della batteria, ma dopo l'aggiunta dell'additivo la velocità le prestazioni della batteria sono notevolmente migliorate. Ad esempio, a -20°C, la batteria contenente l'additivo può ancora raggiungere una capacità di 38 mA/g con una densità di corrente di 2 C, mentre la batteria senza additivo non funziona correttamente a 2 C.

Figura 3. Prestazioni cicliche ed efficienza coulombiana della batteria a diverse temperature: (a, c) additivi contenenti elettrolita; (b, d) elettrolita senza additivi.

Figura 4. Valutare le prestazioni della batteria a diverse temperature: (a, b, c) elettrolita con additivi; (d, e, f) elettrolita senza additivi.

Infine, gli autori hanno ulteriormente studiato i meccanismi sottostanti mediante osservazione SEM e test EIS e hanno chiarito le possibili ragioni della presenza di additivi per far sì che la batteria mostri eccellenti prestazioni elettrochimiche a basse temperature: 1) La struttura PMMA-IL-TFSI inibisce la solidificazione dell'elettrolita e L'aumento della quantità di ioni di litio che si muovono liberamente nel sistema fa aumentare notevolmente l'elettrolita alle basse temperature; 2) l'aumento degli ioni di litio che si muovono liberamente rallenta l'effetto di polarizzazione durante la carica e la scarica, formando così un film SEI stabile; 3) la presenza di liquidi ionici Il film SEI è reso più conduttivo e favorisce il passaggio degli ioni di litio attraverso il film SEI, nonché il rapido trasferimento di carica. Si può vedere dalla Fig. 5 che il film SEI formato dal sistema elettrolitico contenente l'additivo è più stabile e solido, e non vi sono danni e crepe evidenti dopo il ciclo, e l'elettrolita e l'elettrodo reagiscono ulteriormente. Dall'analisi EIS (Figura 6), al contrario, i sistemi elettrolitici contenenti additivi hanno un RSEI e un RCT più piccoli, indicando una minore resistenza di ioni di litio attraverso la membrana SEI e migrazione più rapida dal SEI all'elettrodo.

Figura 5. Foto al SEM del foglio di litio dopo la fine del ciclo a -20°C (a, c, d, f) e -40° C (b, e): (a, b, c) contiene additivi; (d, e, f) non contiene additivi.

Figura 6. Test EIS a diverse temperature.

L'articolo è stato pubblicato sulla rivista di fama internazionale ACS Applied Energy Materials. Il lavoro principale è stato completato dal dottor Li Yang, il primo autore dell'articolo.