Novi aditivi izboljšujejo delovanje litij-ionskih baterij pri nizkih temperaturah

Slika 1 prikazuje postopek sinteze aditiva.V glavnem je molekularna veriga ionske tekočine cepljena na nanosfero polimetil metakrilata (PMMA) z reakcijo, da se tvori čopičasta glavna struktura, nato pa se struktura dispergira v etil acetatu (MA).In v mešanem topilu propilen karbonata (PC) nastane nov elektrolitski sistem.Kot je prikazano na sliki 2a, se prevodnost elektrolita z nižanjem temperature zmanjšuje, prevodnost elektrolita, ki vsebuje etil acetat, pa je veliko višja kot pri elektrolitu, ki kot topilo uporablja samo propilen karbonat, ker je razmeroma nizko zmrzišče ( -96 ° C) in viskoznost (0,36 cp) etil acetata spodbujata hitro gibanje litijevih ionov pri nizkih temperaturah.Iz slike 2b je razvidno, da se bo viskoznost elektrolita po dodatku oblikovanega aditiva (PMMA-IL-TFSI) povečala, vendar povečanje viskoznosti ne vpliva na prevodnost elektrolita.Zanimivo je, da dodatek aditiva povzroči znatno povečanje prevodnosti elektrolita.To je posledica: 1) Ionska tekočina zavira strjevanje elektrolita pri nizkih temperaturah.Učinek plastifikacije, ki ga povzroča prisotnost ionske tekočine, zmanjša temperaturo steklastega faznega prehoda elektrolitskega sistema (slika 2c), zato je prevodnost ionov lažja pri nizkih temperaturah;2) Strukturo mikrosfer PMMA, cepljeno z ionsko tekočino, je mogoče obravnavati kot "enoionski prevodnik".Dodatek aditiva močno poveča količino prosto gibljivih litijevih ionov v elektrolitskem sistemu, s čimer se poveča prevodnost elektrolita pri sobni temperaturi in tudi pri nizkih temperaturah.

Slika 1. Sintetična pot za aditive.

Slika 2. (a) Prevodnost elektrolita v odvisnosti od temperature.(b) Viskoznost elektrolitskega sistema pri različnih temperaturah.(c) Analiza DSC.

Nato so avtorji primerjali elektrokemično delovanje dveh elektrolitskih sistemov, ki sta vsebovala dodatke in brez njih, pri različnih nizkotemperaturnih pogojih.Iz slike 3 je razvidno, da po kroženju 90 ciklov pri gostoti toka 0,5 C ni bistvene razlike v kapaciteti obeh elektrolitskih sistemov pri 20 °C.Ko se temperatura zniža, ima elektrolit, ki vsebuje aditiv, boljšo zmogljivost cikla kot elektrolit brez aditiva.Pri 0 °C, -20 °C in -40 °C lahko kapaciteta elektrolita, ki vsebuje aditiv, po ciklu doseže 107, 84 in 48 mA/g, kar je bistveno več od kapacitete elektrolita brez dodatkov po ciklu pri različnih temperaturah (oziroma Pri 94, 40 in 5 mA/g), kulonski izkoristek pa je po 90 ciklih elektrolita, ki vsebuje aditiv, ostal 99,5 %.Slika 4 primerja hitrost delovanja obeh sistemov pri 20 °C, -20 °C in -40 °C. Znižanje temperature povzroči zmanjšanje zmogljivosti baterije, vendar se po dodatku aditiva stopnja zmogljivost baterije se močno izboljša.Na primer, pri -20 °C lahko baterija z dodatkom še vedno doseže kapaciteto 38 mA/g pri gostoti toka 2 C, medtem ko baterija brez dodatka pri 2 C ne deluje pravilno.

Slika 3. Ciklična zmogljivost in kulonski izkoristek baterije pri različnih temperaturah: (a, c) dodatki, ki vsebujejo elektrolit;(b, d) elektrolit brez dodatkov.

Slika 4. Stopnja delovanja baterije pri različnih temperaturah: (a, b, c) elektrolit z dodatki;(d, e, f) elektrolit brez dodatkov.

Nazadnje so avtorji dodatno raziskali osnovne mehanizme z opazovanjem SEM in testiranjem EIS ter razjasnili možne razloge za prisotnost aditivov, zaradi katerih baterija izkazuje odlično elektrokemično zmogljivost pri nizkih temperaturah: 1) struktura PMMA-IL-TFSI zavira strjevanje elektrolita in Povečanje količine prosto gibljivih litijevih ionov v sistemu močno poveča elektrolit pri nizkih temperaturah;2) povečanje prosto gibajočih se litijevih ionov upočasni polarizacijski učinek med polnjenjem in praznjenjem, s čimer se tvori stabilen film SEI;3) prisotnost ionskih tekočin Film SEI je bolj prevoden in spodbuja prehod litijevih ionov skozi film SEI ter hiter prenos naboja.Iz slike 5 je razvidno, da je film SEI, ki ga tvori sistem elektrolitov, ki vsebuje aditiv, bolj stabilen in čvrst, po ciklu pa ni očitnih poškodb in razpok, elektrolit in elektroda pa nadalje reagirata.V nasprotju z analizo EIS (slika 6) imajo elektrolitski sistemi, ki vsebujejo aditive, manjši RSEI in manjši RCT, kar kaže na manjšo odpornost litijevi ioni čez membrano SEI in hitrejša migracija od SEI do elektrode.

Slika 5. SEM fotografija litijeve plošče po koncu cikla pri -20 °C (a, c, d, f) in -40 °C (b, e): (a, b, c) vsebuje dodatke;(d, e, f) ne vsebuje dodatkov.

Slika 6. Test EIS pri različnih temperaturah.

Članek je bil objavljen v mednarodno priznani reviji ACS Applied Energy Materials.Glavno delo je dokončal dr. Li Yang, prvi avtor prispevka.