Nieuwe additieven verbeteren de prestaties bij lage temperaturen van lithium-ionbatterijen

Figuur 1 is een proces van het synthetiseren van het additief.Hoofdzakelijk wordt de ionische vloeibare moleculaire keten geënt op de polymethylmethacrylaat (PMMA) nanosfeer door reactie om een ​​borstelachtige hoofdstructuur te vormen, en vervolgens wordt de structuur gedispergeerd in ethylacetaat (MA).En een nieuw elektrolytsysteem wordt gevormd in een gemengd oplosmiddel van propyleencarbonaat (PC).Zoals getoond in Fig. 2a, neemt de geleidbaarheid van de elektrolyt af naarmate de temperatuur daalt, en de geleidbaarheid van de elektrolyt die ethylacetaat bevat is veel hoger dan die van de elektrolyt die alleen propyleencarbonaat als oplosmiddel gebruikt, omdat het relatief lage vriespunt ( -96 ° C) en viscositeit (0,36 cp) van ethylacetaat bevorderen de snelle beweging van lithiumionen bij lage temperaturen.Uit figuur 2b blijkt dat de viscositeit van de elektrolyt zal toenemen na toevoeging van het ontworpen additief (PMMA-IL-TFSI), maar de toename in viscositeit heeft geen invloed op de geleidbaarheid van de elektrolyt.Interessant is dat de toevoeging van het additief resulteert in een aanzienlijke toename van de geleidbaarheid van de elektrolyt.Dit komt door: 1) De ionische vloeistof remt de stolling van de elektrolyt bij lage temperaturen.Het weekmakende effect veroorzaakt door de aanwezigheid van ionische vloeistof verlaagt de glasfase-overgangstemperatuur van het elektrolytsysteem (Fig. 2c), dus ionengeleiding is gemakkelijker bij lage temperaturen;2) PMMA-microsfeerstructuur geënt door ionische vloeistof kan worden beschouwd als een "enkele ionengeleider".De toevoeging van het additief verhoogt de hoeveelheid vrij bewegende lithiumionen in het elektrolytsysteem aanzienlijk, waardoor de geleidbaarheid van het elektrolyt zowel bij kamertemperatuur als bij lage temperaturen toeneemt.

Figuur 1. Synthetische route voor additieven.

Figuur 2. (a) De geleidbaarheid van de elektrolyt als functie van de temperatuur.(b) Viscositeit van het elektrolytsysteem bij verschillende temperaturen.(c) DSC-analyse.

Vervolgens vergeleken de auteurs de elektrochemische prestaties van twee elektrolytsystemen die additieven bevatten en geen additieven bij verschillende lage temperatuuromstandigheden.Uit figuur 3 blijkt dat na 90 cycli circuleren bij een stroomdichtheid van 0,5 C er geen significant verschil is in de capaciteit van de twee elektrolytsystemen bij 20 °C.Naarmate de temperatuur wordt verlaagd, vertoont de elektrolyt die het additief bevat betere cyclusprestaties dan de elektrolyt zonder het additief.Bij 0 °C, -20 °C en -40 °C kan de capaciteit van de elektrolyt die het additief bevat na het fietsen 107, 84 en 48 mA/g bereiken, aanzienlijk hoger dan de capaciteit van het elektrolyt zonder additieven na het fietsen bij verschillende temperaturen (respectievelijk bij 94, 40 en 5 mA/g), en de coulombische efficiëntie na 90 cycli van de elektrolyt die het additief bevat bleef op 99,5%.Figuur 4 vergelijkt de snelheidsprestaties van de twee systemen bij 20 ° C, -20 ° C en -40 ° C. Een temperatuurdaling veroorzaakt een afname van de capaciteit van de batterij, maar na toevoeging van het additief prestaties van de batterij is sterk verbeterd.Zo kan de accu met het additief bij -20 °C bij een stroomdichtheid van 2 C nog een capaciteit bereiken van 38 mA/g, terwijl de accu zonder het additief niet goed werkt bij 2 C.

Figuur 3. Cyclische prestaties en coulombische efficiëntie van de batterij bij verschillende temperaturen: (a, c) elektrolyt bevattende additieven;(b, d) elektrolyt zonder toevoegingen.

Figuur 4. Beoordeel de prestaties van de batterij bij verschillende temperaturen: (a, b, c) elektrolyt met additieven;(d, e, f) elektrolyt zonder toevoegingen.

Ten slotte hebben de auteurs de onderliggende mechanismen verder onderzocht door SEM-observatie en EIS-testen, en de mogelijke redenen verduidelijkt voor de aanwezigheid van additieven om ervoor te zorgen dat de batterij uitstekende elektrochemische prestaties vertoont bij lage temperaturen: 1) PMMA-IL-TFSI-structuur remt het stollen van elektrolyt en Door de hoeveelheid vrij bewegende lithiumionen in het systeem te vergroten, neemt het elektrolyt sterk toe bij lage temperaturen;2) de toename van vrij bewegende lithiumionen vertraagt ​​het polarisatie-effect tijdens laden en ontladen, waardoor een stabiele SEI-film wordt gevormd;3) de aanwezigheid van ionische vloeistoffen De SEI-film wordt beter geleidend gemaakt en bevordert de doorgang van lithiumionen door de SEI-film, evenals een snelle ladingsoverdracht.Uit Fig. 5 blijkt dat de SEI-film gevormd door het elektrolytsysteem dat het additief bevat stabieler en steviger is, en dat er geen duidelijke schade en scheuren zijn na de cyclus, en dat de elektrolyt en de elektrode verder reageren.Volgens EIS-analyse (Figuur 6) daarentegen hebben elektrolytsystemen die additieven bevatten een kleinere RSEI en een kleinere RCT, wat wijst op minder weerstand van lithium ionen over het SEI-membraan en snellere migratie van SEI naar de elektrode.

Figuur 5. SEM-foto van de lithiumplaat na het einde van de cyclus bij -20 °C (a, c, d, f) en -40 °C (b, e): (a, b, c) bevat additieven;(d, e, f) bevat geen toevoegingen.

Figuur 6. EIS-test bij verschillende temperaturen.

Het artikel is gepubliceerd in het internationaal gerenommeerde tijdschrift ACS Applied Energy Materials.Het belangrijkste werk werd voltooid door Dr. Li Yang, de eerste auteur van het artikel.