Bahan tambahan baharu meningkatkan prestasi suhu rendah bateri ion litium

Rajah 1 ialah proses mensintesis bahan tambahan.Terutamanya, rantai molekul cecair ionik dicantumkan pada nanosfera polimetil metakrilat (PMMA) melalui tindak balas untuk membentuk struktur utama seperti berus, dan kemudian struktur itu tersebar dalam etil asetat (MA).Dan sistem elektrolit baru terbentuk dalam pelarut campuran propilena karbonat (PC).Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a, kekonduksian elektrolit berkurangan apabila suhu berkurangan, dan kekonduksian elektrolit yang mengandungi etil asetat adalah lebih tinggi daripada elektrolit hanya menggunakan propilena karbonat sebagai pelarut, kerana takat beku yang agak rendah ( -96 ° C) dan kelikatan (0.36 cp) etil asetat menggalakkan pergerakan pantas ion litium pada suhu rendah.Ia boleh dilihat daripada Rajah 2b bahawa kelikatan elektrolit akan meningkat selepas penambahan bahan tambahan yang direka bentuk (PMMA-IL-TFSI), tetapi peningkatan kelikatan tidak menjejaskan kekonduksian elektrolit.Menariknya, penambahan bahan tambahan menghasilkan peningkatan yang ketara dalam kekonduksian elektrolit.Ini disebabkan oleh: 1) Cecair ionik menghalang pemejalan elektrolit pada suhu rendah.Kesan pemplastikan yang disebabkan oleh kehadiran cecair ionik mengurangkan suhu peralihan fasa kaca sistem elektrolit (Rajah 2c), jadi pengaliran ion lebih mudah di bawah keadaan suhu rendah;2) Struktur mikrosfera PMMA yang dicantumkan oleh cecair ionik boleh dianggap sebagai Ia adalah "pengalir ion tunggal".Penambahan bahan tambahan meningkatkan jumlah ion litium yang bergerak bebas dalam sistem elektrolit, dengan itu meningkatkan kekonduksian elektrolit pada suhu bilik dan juga pada suhu rendah.

Rajah 1. Laluan sintetik untuk bahan tambahan.

Rajah 2. (a) Kekonduksian elektrolit sebagai fungsi suhu.(b) Kelikatan sistem elektrolit pada suhu yang berbeza.(c) Analisis DSC.

Selepas itu, penulis membandingkan prestasi elektrokimia dua sistem elektrolit yang mengandungi bahan tambahan dan tiada bahan tambahan pada keadaan suhu rendah yang berbeza.Ia boleh dilihat daripada Rajah 3 bahawa selepas mengedarkan 90 kitaran pada ketumpatan arus 0.5 C, tidak terdapat perbezaan ketara dalam kapasiti kedua-dua sistem elektrolit pada 20 °C.Apabila suhu diturunkan, elektrolit yang mengandungi aditif mempamerkan prestasi kitaran yang lebih baik daripada elektrolit tanpa aditif.Pada 0 °C, -20 °C dan -40 °C, kapasiti elektrolit yang mengandungi bahan tambahan selepas berbasikal boleh mencapai 107, 84 dan 48 mA / g, jauh lebih tinggi daripada kapasiti elektrolit tanpa bahan tambahan selepas berbasikal pada berbeza. suhu (masing-masing Pada 94, 40 dan 5 mA/g), dan kecekapan coulombik selepas 90 kitaran elektrolit yang mengandungi bahan tambahan kekal pada 99.5%.Rajah 4 membandingkan prestasi kadar kedua-dua sistem pada 20 ° C, -20 ° C, dan -40 ° C. Penurunan suhu menyebabkan penurunan kapasiti bateri, tetapi selepas penambahan bahan tambahan, kadar prestasi bateri bertambah baik.Sebagai contoh, pada -20 ° C, bateri yang mengandungi bahan tambahan masih boleh mencapai kapasiti 38 mA/g pada ketumpatan arus 2 C, manakala bateri tanpa bahan tambahan tidak berfungsi dengan baik pada 2 C.

Rajah 3. Prestasi kitaran dan kecekapan koulombik bateri pada suhu berbeza: (a, c) elektrolit yang mengandungi bahan tambahan;(b, d) elektrolit tanpa bahan tambahan.

Rajah 4. Kadar prestasi bateri pada suhu yang berbeza: (a, b, c) elektrolit dengan bahan tambahan;(d, e, f) elektrolit tanpa bahan tambahan.

Akhirnya, penulis menyiasat lagi mekanisme asas dengan pemerhatian SEM dan ujian EIS, dan menjelaskan kemungkinan sebab kehadiran bahan tambahan untuk menjadikan bateri mempamerkan prestasi elektrokimia yang sangat baik pada suhu rendah: 1) Struktur PMMA-IL-TFSI menghalang pemejalan elektrolit dan Meningkatkan jumlah ion litium yang bergerak bebas dalam sistem menjadikan elektrolit meningkat dengan ketara pada suhu rendah;2) peningkatan ion litium yang bergerak bebas melambatkan kesan polarisasi semasa cas dan nyahcas, dengan itu membentuk filem SEI yang stabil;3) kehadiran cecair ionik Filem SEI dibuat lebih konduktif dan menggalakkan laluan ion litium melalui filem SEI, serta pemindahan cas pantas.Ia boleh dilihat dari Rajah 5 bahawa filem SEI yang dibentuk oleh sistem elektrolit yang mengandungi bahan tambahan adalah lebih stabil dan teguh, dan tiada kerosakan dan keretakan yang jelas selepas kitaran, dan elektrolit dan elektrod bertindak balas selanjutnya.Dengan analisis EIS (Rajah 6), sebaliknya, sistem elektrolit yang mengandungi bahan tambahan mempunyai RSEI yang lebih kecil dan RCT yang lebih kecil, menunjukkan kurang rintangan ion litium merentasi membran SEI dan penghijrahan yang lebih pantas dari SEI ke elektrod.

Rajah 5. Foto SEM lembaran litium selepas akhir kitaran pada -20 ° C (a, c, d, f) dan -40 ° C (b, e): (a, b, c) mengandungi bahan tambahan;(d, e, f) tidak mengandungi bahan tambahan.

Rajah 6. Ujian EIS pada suhu yang berbeza.

Artikel itu diterbitkan dalam jurnal terkenal antarabangsa ACS Applied Energy Materials.Kerja utama telah disiapkan oleh Dr Li Yang, pengarang pertama kertas kerja.