ახალი დანამატები აუმჯობესებენ ლითიუმ-იონური ბატარეების დაბალ ტემპერატურაზე მუშაობას

სურათი 1 არის დანამატის სინთეზირების პროცესი.ძირითადად, იონური თხევადი მოლეკულური ჯაჭვი მყნობა ხდება პოლიმეთილ მეთაკრილატის (PMMA) ნანოსფეროზე რეაქციით, რათა შეიქმნას ფუნჯის მსგავსი ძირითადი სტრუქტურა, შემდეგ კი სტრუქტურა იშლება ეთილის აცეტატში (MA).და ახალი ელექტროლიტური სისტემა იქმნება პროპილენის კარბონატის შერეულ გამხსნელში (PC).როგორც ნაჩვენებია ნახატ 2a-ზე, ელექტროლიტის გამტარობა მცირდება ტემპერატურის კლებასთან ერთად და ეთილის აცეტატის შემცველი ელექტროლიტის გამტარობა გაცილებით მაღალია, ვიდრე ელექტროლიტის გამტარობა, რომელიც მხოლოდ პროპილენის კარბონატს იყენებს გამხსნელად, რადგან შედარებით დაბალი გაყინვის წერტილი ( -96 ° C) და ეთილის აცეტატის სიბლანტე (0,36 cp) ხელს უწყობს ლითიუმის იონების სწრაფ მოძრაობას დაბალ ტემპერატურაზე.ნახ. 2b-დან ჩანს, რომ ელექტროლიტის სიბლანტე გაიზრდება დაპროექტებული დანამატის (PMMA-IL-TFSI) დამატების შემდეგ, მაგრამ სიბლანტის ზრდა გავლენას არ ახდენს ელექტროლიტის გამტარობაზე.საინტერესოა, რომ დანამატის დამატება იწვევს ელექტროლიტის გამტარობის არსებით ზრდას.ეს გამოწვეულია: 1) იონური სითხე აფერხებს ელექტროლიტის გამაგრებას დაბალ ტემპერატურაზე.იონური სითხის არსებობით გამოწვეული პლასტიზირების ეფექტი ამცირებს ელექტროლიტური სისტემის მინის ფაზის გადასვლის ტემპერატურას (ნახ. 2c), ამიტომ იონის გამტარობა უფრო ადვილია დაბალი ტემპერატურის პირობებში;2) იონური სითხით ნამყენი PMMA მიკროსფერული სტრუქტურა შეიძლება ჩაითვალოს როგორც „ერთიონიანი გამტარი“.დანამატის დამატება მნიშვნელოვნად ზრდის თავისუფლად მოძრავი ლითიუმის იონების რაოდენობას ელექტროლიტების სისტემაში, რითაც იზრდება ელექტროლიტის გამტარობა როგორც ოთახის ტემპერატურაზე, ასევე დაბალ ტემპერატურაზე.

სურათი 1. დანამატების სინთეტიკური მარშრუტი.

სურათი 2. (ა) ელექტროლიტის გამტარობა ტემპერატურის ფუნქციის მიხედვით.ბ) ელექტროლიტური სისტემის სიბლანტე სხვადასხვა ტემპერატურაზე.(გ) DSC ანალიზი.

შემდგომში, ავტორებმა შეადარეს ორი ელექტროლიტური სისტემის ელექტროქიმიური მოქმედება, რომლებიც შეიცავს დანამატებს და არ შეიცავს დანამატებს სხვადასხვა დაბალი ტემპერატურის პირობებში.ნახაზი 3-დან ჩანს, რომ 0,5 C დენის სიმკვრივით 90 ციკლის ცირკულაციის შემდეგ, არ არის მნიშვნელოვანი განსხვავება ორი ელექტროლიტური სისტემის სიმძლავრეში 20 °C ტემპერატურაზე.ტემპერატურის დაქვეითებით, დანამატის შემცველი ელექტროლიტი ავლენს ციკლის უფრო მაღალ შესრულებას, ვიდრე ელექტროლიტი დანამატის გარეშე.0 °C, -20 °C და -40 °C ტემპერატურაზე, დანამატის შემცველი ელექტროლიტის სიმძლავრემ შეიძლება მიაღწიოს 107, 84 და 48 mA/g-ს, რაც მნიშვნელოვნად აღემატება ელექტროლიტის ტევადობას დანამატების გარეშე სხვადასხვა დროს ციკლის შემდეგ. ტემპერატურა (შესაბამისად 94, 40 და 5 mA/g) და დანამატის შემცველი ელექტროლიტის 90 ციკლის შემდეგ კულუმბიური ეფექტურობა დარჩა 99.5%.სურათი 4 ადარებს ორი სისტემის სიჩქარეს 20 ° C, -20 ° C და -40 ° C ტემპერატურაზე. ტემპერატურის დაქვეითება იწვევს ბატარეის სიმძლავრის შემცირებას, მაგრამ დანამატის დამატების შემდეგ, სიჩქარე ბატარეის მუშაობა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია.მაგალითად, -20°C-ზე, დანამატის შემცველი ბატარეა კვლავ შეუძლია მიაღწიოს ტევადობას 38 mA/g დენის სიმკვრივით 2 C, ხოლო ბატარეა დანამატის გარეშე არ მუშაობს გამართულად 2 C ტემპერატურაზე.

ნახაზი 3. ბატარეის ციკლური მოქმედება და კულუმბიური ეფექტურობა სხვადასხვა ტემპერატურაზე: (ა, გ) ელექტროლიტის შემცველი დანამატები;(ბ, დ) ელექტროლიტი დანამატების გარეშე.

ნახაზი 4. ბატარეის მუშაობის სიჩქარე სხვადასხვა ტემპერატურაზე: (a, b, c) ელექტროლიტი დანამატებით;(დ, ე, ვ) ელექტროლიტი დანამატების გარეშე.

საბოლოოდ, ავტორებმა შემდგომ გამოიკვლიეს ძირითადი მექანიზმები SEM დაკვირვებით და EIS ტესტირებით და განმარტეს დანამატების არსებობის შესაძლო მიზეზები, რათა ბატარეამ გამოავლინოს შესანიშნავი ელექტროქიმიური მოქმედება დაბალ ტემპერატურაზე: 1) PMMA-IL-TFSI სტრუქტურა აფერხებს ელექტროლიტების გამაგრებას და სისტემაში თავისუფლად მოძრავი ლითიუმის იონების რაოდენობის გაზრდა ელექტროლიტს მნიშვნელოვნად ზრდის დაბალ ტემპერატურაზე;2) თავისუფლად მოძრავი ლითიუმის იონების მატება ანელებს პოლარიზაციის ეფექტს დამუხტვისა და განმუხტვის დროს, რითაც ქმნის სტაბილურ SEI ფილას;3) იონური სითხეების არსებობა SEI ფილმი უფრო გამტარი ხდება და ხელს უწყობს ლითიუმის იონების გავლას SEI ფირის მეშვეობით, ასევე მუხტის სწრაფ გადაცემას.ნახაზი 5-დან ჩანს, რომ დანამატის შემცველი ელექტროლიტური სისტემის მიერ წარმოქმნილი SEI ფილმი უფრო სტაბილური და მყარია და ციკლის შემდეგ აშკარა დაზიანება და ბზარები არ არის, ხოლო ელექტროლიტი და ელექტროდი შემდგომში რეაგირებენ.EIS ანალიზით (სურათი 6), პირიქით, დანამატების შემცველ ელექტროლიტურ სისტემებს აქვთ უფრო მცირე RSEI და უფრო მცირე RCT, რაც მიუთითებს ნაკლებ წინააღმდეგობაზე ლითიუმის იონები SEI მემბრანის გასწვრივ და უფრო სწრაფი მიგრაცია SEI-დან ელექტროდამდე.

სურათი 5. ლითიუმის ფურცლის SEM ფოტო ციკლის დასრულების შემდეგ -20 ° C (a, c, d, f) და -40 ° C (b, e): (a, b, c) შეიცავს დანამატებს;(d, e, f) არ შეიცავს დანამატებს.

სურათი 6. EIS ტესტი სხვადასხვა ტემპერატურაზე.

სტატია გამოქვეყნდა საერთაშორისოდ ცნობილ ჟურნალში ACS Applied Energy Materials.ძირითადი ნაშრომი დაასრულა დოქტორმა ლი იანგმა, ნაშრომის პირველმა ავტორმა.