Novos aditivos melhoram o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íon de lítio

A Figura 1 é um processo de síntese do aditivo. Principalmente, a cadeia molecular do líquido iônico é enxertada na nanoesfera de polimetilmetacrilato (PMMA) por reação para formar uma estrutura principal semelhante a um pincel, e então a estrutura é dispersa em acetato de etila (MA). E um novo sistema eletrolítico é formado em um solvente misto de carbonato de propileno (PC). Como mostrado na Fig. 2a, a condutividade do eletrólito diminui à medida que a temperatura diminui, e a condutividade do eletrólito contendo acetato de etila é muito maior do que a do eletrólito usando apenas carbonato de propileno como solvente, porque o ponto de congelamento relativamente baixo ( -96°C) e a viscosidade (0,36 cp) do acetato de etila promovem o rápido movimento dos íons de lítio em baixas temperaturas. Pode-se observar na Figura 2b que a viscosidade do eletrólito aumentará após a adição do aditivo projetado (PMMA-IL-TFSI), mas o aumento na viscosidade não afeta a condutividade do eletrólito. Curiosamente, a adição do aditivo resulta num aumento substancial na condutividade do electrólito. Isto se deve a: 1) O líquido iônico inibe a solidificação do eletrólito em baixas temperaturas. O efeito de plastificação causado pela presença de líquido iônico reduz a temperatura de transição da fase vítrea do sistema eletrolítico (Fig. 2c), de modo que a condução iônica é mais fácil em condições de baixa temperatura; 2) A estrutura da microesfera PMMA enxertada por líquido iônico pode ser considerada um “condutor de íon único”. A adição do aditivo aumenta grandemente a quantidade de íons de lítio que se movem livremente no sistema eletrolítico, aumentando assim a condutividade do eletrólito à temperatura ambiente, bem como a baixas temperaturas.

Figura 1. Rota sintética para aditivos.

Figura 2. (a) A condutividade do eletrólito em função da temperatura. (b) Viscosidade do sistema eletrolítico em diferentes temperaturas. (c) análise DSC.

Posteriormente, os autores compararam o desempenho eletroquímico de dois sistemas eletrolíticos contendo aditivos e sem aditivos em diferentes condições de baixa temperatura. Pode ser visto na Figura 3 que após circular 90 ciclos a uma densidade de corrente de 0,5 C, não há diferença significativa na capacidade dos dois sistemas eletrolíticos a 20 °C. À medida que a temperatura é reduzida, o eletrólito contendo o aditivo apresenta um desempenho de ciclo superior ao do eletrólito sem o aditivo. A 0 °C, -20 °C e -40 °C, a capacidade do eletrólito contendo o aditivo após a ciclagem pode atingir 107, 84 e 48 mA/g, significativamente superior à capacidade do eletrólito sem aditivos após a ciclagem em diferentes temperaturas (respectivamente A 94, 40 e 5 mA/g), e a eficiência coulombiana após 90 ciclos do eletrólito contendo o aditivo permaneceu em 99,5%. A Figura 4 compara o desempenho da taxa dos dois sistemas a 20°C, -20°C e -40°C. Uma diminuição na temperatura provoca uma diminuição na capacidade da bateria, mas após a adição do aditivo, a taxa o desempenho da bateria é bastante melhorado. Por exemplo, a -20 °C, a bateria contendo o aditivo ainda pode atingir uma capacidade de 38 mA/g a uma densidade de corrente de 2 C, enquanto a bateria sem o aditivo não funciona corretamente a 2 C.

Figura 3. Desempenho cíclico e eficiência coulombiana da bateria em diferentes temperaturas: (a, c) aditivos contendo eletrólito; (b, d) eletrólito sem aditivos.

Figura 4. Avaliar o desempenho da bateria em diferentes temperaturas: (a, b, c) eletrólito com aditivos; (d, e, f) eletrólito sem aditivos.

Finalmente, os autores investigaram ainda mais os mecanismos subjacentes por observação SEM e testes EIS, e esclareceram as possíveis razões para a presença de aditivos para fazer a bateria exibir excelente desempenho eletroquímico em baixas temperaturas: 1) a estrutura PMMA-IL-TFSI inibe a solidificação do eletrólito e Aumentar a quantidade de íons de lítio em movimento livre no sistema faz com que o eletrólito aumente bastante em baixas temperaturas; 2) o aumento de íons de lítio em movimento livre retarda o efeito de polarização durante a carga e descarga, formando assim um filme SEI estável; 3) a presença de líquidos iônicos O filme SEI torna-se mais condutivo e promove a passagem de íons de lítio através do filme SEI, bem como a rápida transferência de carga. Pode ser visto na Fig. 5 que o filme SEI formado pelo sistema eletrolítico contendo o aditivo é mais estável e firme, e não há danos óbvios e rachaduras após o ciclo, e o eletrólito e o eletrodo reagem ainda mais. Pela análise EIS (Figura 6), em contraste, os sistemas eletrolíticos contendo aditivos apresentam RSEI e RCT menores, indicando menor resistência de íons de lítio através da membrana SEI e migração mais rápida do SEI para o eletrodo.

Figura 5. Foto SEM da folha de lítio após o término do ciclo a -20°C (a, c, d, f) e -40°C (b, e): (a, b, c) contém aditivos; (d, e, f) não contém aditivos.

Figura 6. Teste EIS em diferentes temperaturas.

O artigo foi publicado na revista de renome internacional ACS Applied Energy Materials. O trabalho principal foi concluído pelo Dr. Li Yang, o primeiro autor do artigo.