Aditivët e rinj përmirësojnë performancën në temperaturë të ulët të baterive me jon litium

Figura 1 është një proces i sintetizimit të aditivit.Kryesisht, zinxhiri molekular i lëngshëm jonik shartohet në nanosferën polimetil metakrilate (PMMA) me reagim për të formuar një strukturë kryesore të ngjashme me furçën, dhe më pas struktura shpërndahet në acetat etilik (MA).Dhe një sistem i ri elektrolit formohet në një tretës të përzier të karbonatit të propilenit (PC).Siç tregohet në figurën 2a, përçueshmëria e elektrolitit zvogëlohet me uljen e temperaturës dhe përçueshmëria e elektrolitit që përmban acetat etil është shumë më e lartë se ajo e elektrolitit duke përdorur vetëm karbonat propileni si tretës, sepse pika relativisht e ulët e ngrirjes ( -96 ° C) dhe viskoziteti (0,36 cp) i acetatit etilik nxisin lëvizjen e shpejtë të joneve të litiumit në temperatura të ulëta.Mund të shihet nga Fig. 2b se viskoziteti i elektrolitit do të rritet pas shtimit të aditivit të projektuar (PMMA-IL-TFSI), por rritja e viskozitetit nuk ndikon në përçueshmërinë e elektrolitit.Është interesante se shtimi i aditivit rezulton në një rritje të konsiderueshme të përçueshmërisë së elektrolitit.Kjo është për shkak të: 1) Lëngu jonik pengon ngurtësimin e elektrolitit në temperatura të ulëta.Efekti i plastifikimit i shkaktuar nga prania e lëngut jonik redukton temperaturën e tranzicionit të fazës së qelqit të sistemit elektrolitik (Fig. 2c), kështu që përçimi i jonit është më i lehtë në kushte të temperaturës së ulët;2) Struktura e mikrosferës PMMA e shartuar nga lëngu jonik mund të konsiderohet si "përçues me një jon".Shtimi i aditivit rrit shumë sasinë e joneve të litiumit që lëvizin lirshëm në sistemin e elektrolitit, duke rritur kështu përçueshmërinë e elektrolitit në temperaturën e dhomës, si dhe në temperatura të ulëta.

Figura 1. Rruga sintetike për aditivët.

Figura 2. (a) Përçueshmëria e elektrolitit në funksion të temperaturës.(b) Viskoziteti i sistemit të elektrolitit në temperatura të ndryshme.(c) analiza DSC.

Më pas, autorët krahasuan performancën elektrokimike të dy sistemeve elektrolite që përmbajnë aditivë dhe pa aditivë në kushte të ndryshme të temperaturës së ulët.Mund të shihet nga Fig. 3 se pas qarkullimit të 90 cikleve me një densitet të rrymës prej 0,5 C, nuk ka ndonjë ndryshim domethënës në kapacitetin e dy sistemeve të elektrolitit në 20 °C.Me uljen e temperaturës, elektroliti që përmban aditivin shfaq performancë superiore të ciklit sesa elektroliti pa aditiv.Në 0 °C, -20 °C dhe -40 °C, kapaciteti i elektrolitit që përmban aditivin pas çiklizmit mund të arrijë 107, 84 dhe 48 mA / g, dukshëm më i lartë se kapaciteti i elektrolitit pa aditivë pas çiklizmit në të ndryshme temperaturat (përkatësisht në 94, 40 dhe 5 mA/g), dhe efikasiteti kulombik pas 90 cikleve të elektrolitit që përmban aditivin mbeti në 99,5%.Figura 4 krahason performancën e shpejtësisë së dy sistemeve në 20 ° C, -20 ° C dhe -40 ° C. Një ulje e temperaturës shkakton një ulje të kapacitetit të baterisë, por pas shtimit të aditivit, shkalla performanca e baterisë është përmirësuar shumë.Për shembull, në -20 ° C, bateria që përmban aditivin mund të arrijë ende një kapacitet prej 38 mA/g me një densitet aktual prej 2 C, ndërsa bateria pa aditiv nuk funksionon siç duhet në 2 C.

Figura 3. Performanca ciklike dhe efikasiteti kulombik i baterisë në temperatura të ndryshme: (a, c) aditivë që përmbajnë elektrolit;(b, d) elektrolit pa aditivë.

Figura 4. Shkalla e performancës së baterisë në temperatura të ndryshme: (a, b, c) elektrolit me aditivë;(d, e, f) elektrolit pa aditivë.

Së fundi, autorët hetuan më tej mekanizmat themelorë nga vëzhgimi SEM dhe testimi EIS, dhe sqaruan arsyet e mundshme për praninë e aditivëve për ta bërë baterinë të shfaqë performancë të shkëlqyer elektrokimike në temperatura të ulëta: 1) Struktura PMMA-IL-TFSI pengon ngurtësimin e elektrolitit dhe Rritja e sasisë së joneve të litiumit që lëvizin lirshëm në sistem bën që elektroliti të rritet shumë në temperatura të ulëta;2) rritja e joneve të litiumit që lëvizin lirshëm ngadalëson efektin e polarizimit gjatë ngarkimit dhe shkarkimit, duke formuar kështu një film të qëndrueshëm SEI;3) prania e lëngjeve jonike Filmi SEI bëhet më përçues dhe nxit kalimin e joneve të litiumit përmes filmit SEI, si dhe transferimin e shpejtë të ngarkesës.Mund të shihet nga Fig. 5 se filmi SEI i formuar nga sistemi elektrolit që përmban aditivin është më i qëndrueshëm dhe më i fortë dhe nuk ka dëmtime dhe çarje të dukshme pas ciklit, dhe elektroliti dhe elektroda reagojnë më tej.Nga analiza EIS (Figura 6), në të kundërt, sistemet e elektrolitit që përmbajnë aditivë kanë RSEI më të vogël dhe RCT më të vogël, duke treguar më pak rezistencë të jonet e litiumit nëpër membranën SEI dhe migrim më i shpejtë nga SEI në elektrodë.

Figura 5. Fotografia SEM e fletës së litiumit pas përfundimit të ciklit në -20 ° C (a, c, d, f) dhe -40 ° C (b, e): (a, b, c) përmban aditivë;(d, e , f) nuk përmban aditivë.

Figura 6. Testi EIS në temperatura të ndryshme.

Artikulli u botua në revistën e njohur ndërkombëtarisht ACS Applied Energy Materials.Puna kryesore u përfundua nga Dr. Li Yang, autori i parë i punimit.