Addittivi ġodda jtejbu l-prestazzjoni f'temperatura baxxa tal-batteriji tal-jone tal-litju

Figura 1 hija proċess ta 'sintetizzazzjoni tal-addittiv.Prinċipalment, il-katina molekulari likwida jonika titlaqqam fuq in-nanosfera tal-polymethyl methacrylate (PMMA) permezz ta 'reazzjoni biex tifforma struttura prinċipali bħal pinzell, u mbagħad l-istruttura hija mxerrda fl-aċetat etiliku (MA).U sistema ġdida ta 'elettroliti hija ffurmata f'solvent imħallat ta' karbonat tal-propilene (PC).Kif muri fil-Fig. 2a, il-konduttività tal-elettrolit tonqos hekk kif tonqos it-temperatura, u l-konduttività tal-elettrolit li fih l-aċetat tal-etil hija ħafna ogħla minn dik tal-elettrolit bl-użu biss tal-karbonat tal-propilene bħala s-solvent, minħabba li l-punt tal-iffriżar relattivament baxx ( -96 ° C) u viskożità (0.36 cp) ta 'aċetat etiliku jippromwovu l-moviment mgħaġġel ta' joni tal-litju f'temperaturi baxxi.Jista 'jidher minn Fig. 2b li l-viskożità tal-elettrolit se tiżdied wara ż-żieda tal-addittiv iddisinjat (PMMA-IL-TFSI), iżda ż-żieda fil-viskożità ma taffettwax il-konduttività tal-elettrolit.Interessanti, iż-żieda tal-addittiv tirriżulta f'żieda sostanzjali fil-konduttività tal-elettrolit.Dan huwa dovut għal: 1) Il-likwidu joniku jinibixxi s-solidifikazzjoni tal-elettrolit f'temperaturi baxxi.L-effett tal-plastifikazzjoni ikkawżat mill-preżenza ta 'likwidu joniku jnaqqas it-temperatura tat-tranżizzjoni tal-fażi tal-ħġieġ tas-sistema tal-elettroliti (Fig. 2c), għalhekk il-konduzzjoni tal-joni hija aktar faċli taħt kundizzjonijiet ta' temperatura baxxa;2) L-istruttura tal-mikrosfera PMMA mlaqqma minn likwidu joniku tista 'titqies bħala Huwa "konduttur ta' jone wieħed".Iż-żieda tal-addittiv iżżid ħafna l-ammont ta 'jonji tal-litju li jiċċaqilqu liberament fis-sistema tal-elettroliti, u b'hekk iżżid il-konduttività tal-elettrolit f'temperatura ambjentali kif ukoll f'temperaturi baxxi.

Figura 1. Rotta sintetika għall-addittivi.

Figura 2. (a) Il-konduttività tal-elettrolit bħala funzjoni tat-temperatura.(b) Il-viskożità tas-sistema tal-elettroliti f'temperaturi differenti.(c) Analiżi DSC.

Sussegwentement, l-awturi qabblu l-prestazzjoni elettrokimika ta 'żewġ sistemi ta' elettroliti li fihom addittivi u l-ebda addittivi f'kundizzjonijiet differenti ta 'temperatura baxxa.Jista 'jidher minn Fig. 3 li wara li tiċċirkola 90 ċiklu f'densità ta' kurrent ta '0.5 C, m'hemm l-ebda differenza sinifikanti fil-kapaċità taż-żewġ sistemi ta' elettroliti f'20 °C.Hekk kif it-temperatura titbaxxa, l-elettrolit li fih l-addittiv juri prestazzjoni taċ-ċiklu superjuri mill-elettrolit mingħajr l-addittiv.F'0 °C, -20 °C u -40 °C, il-kapaċità tal-elettrolit li fih l-addittiv wara ċ-ċikliżmu tista 'tilħaq 107, 84 u 48 mA / g, ogħla b'mod sinifikanti mill-kapaċità tal-elettrolit mingħajr addittivi wara ċikliżmu f'diversi temperaturi (rispettivament F'94, 40 u 5 mA/g), u l-effiċjenza coulombic wara 90 ċiklu ta 'l-elettrolit li fih l-addittiv baqgħu f'99.5%.Figura 4 tqabbel il-prestazzjoni tar-rata taż-żewġ sistemi f'20 ° C, -20 ° C, u -40 ° C. Tnaqqis fit-temperatura jikkawża tnaqqis fil-kapaċità tal-batterija, iżda wara ż-żieda tal-addittiv, ir-rata il-prestazzjoni tal-batterija titjieb ħafna.Pereżempju, f'-20 ° C, il-batterija li fiha l-addittiv xorta tista 'tilħaq kapaċità ta' 38 mA/g f'densità ta 'kurrent ta' 2 C, filwaqt li l-batterija mingħajr l-addittiv ma tkunx qed taħdem sew f'2 C.

Figura 3. Prestazzjoni ċiklika u effiċjenza coulombic tal-batterija f'temperaturi differenti: (a, c) addittivi li fihom elettrolit;(b, d) elettrolit mingħajr addittivi.

Figura 4. Ir-rata tal-prestazzjoni tal-batterija f'temperaturi differenti: (a, b, c) elettrolit b'addittivi;(d, e, f) elettrolit mingħajr addittivi.

Fl-aħħarnett, l-awturi investigaw aktar il-mekkaniżmi sottostanti permezz ta 'osservazzjoni SEM u ttestjar EIS, u ċċaraw ir-raġunijiet possibbli għall-preżenza ta' addittivi biex jagħmlu l-batterija turi prestazzjoni elettrokimika eċċellenti f'temperaturi baxxi: 1) L-istruttura PMMA-IL-TFSI tinibixxi s-solidifikazzjoni tal-elettroliti u Iż-żieda fl-ammont ta 'jonji tal-litju li jiċċaqilqu liberament fis-sistema tagħmel l-elettrolit jiżdied ħafna f'temperaturi baxxi;2) iż-żieda ta 'jonji tal-litju li jiċċaqilqu liberament inaqqas l-effett tal-polarizzazzjoni waqt iċ-ċarġ u l-iskariku, u b'hekk jiffurmaw film SEI stabbli;3) il-preżenza ta 'likwidi joniċi Il-film SEI isir aktar konduttiv u jippromwovi l-mogħdija ta' joni tal-litju mill-film SEI, kif ukoll trasferiment rapidu ta 'ċarġ.Jista 'jidher mill-Fig. 5 li l-film SEI iffurmat mis-sistema tal-elettroliti li fiha l-addittiv huwa aktar stabbli u sod, u m'hemm l-ebda ħsara ovvja u xquq wara ċ-ċiklu, u l-elettrolit u l-elettrodu jiġu reazzjoni aktar.Permezz ta’ analiżi EIS (Figura 6), b’kuntrast, sistemi ta’ elettroliti li fihom addittivi għandhom RSEI iżgħar u RCT iżgħar, li jindikaw inqas reżistenza ta’ joni tal-litju madwar il-membrana SEI u migrazzjoni aktar mgħaġġla minn SEI għall-elettrodu.

Figura 5. Ritratt SEM tal-folja tal-litju wara t-tmiem taċ-ċiklu f'-20 ° C (a, c, d, f) u -40 ° C (b, e): (a, b, c) fih addittivi;(d, e , f) ma fih l-ebda addittivi.

Figura 6. Test EIS f'temperaturi differenti.

L-artiklu ġie ppubblikat fil-ġurnal rinomat internazzjonalment ACS Applied Energy Materials.Ix-xogħol ewlieni tlesta minn Dr Li Yang, l-ewwel awtur tad-dokument.