Nya tillsatser förbättrar lågtemperaturprestanda hos litiumjonbatterier

Figur 1 är en process för att syntetisera tillsatsen.Huvudsakligen ympas den joniska flytande molekylkedjan på nanosfären av polymetylmetakrylat (PMMA) genom reaktion för att bilda en borstliknande huvudstruktur, och sedan dispergeras strukturen i etylacetat (MA).Och ett nytt elektrolytsystem bildas i ett blandat lösningsmedel av propylenkarbonat (PC).Som visas i fig. 2a minskar elektrolytens konduktivitet när temperaturen sjunker, och konduktiviteten hos elektrolyten som innehåller etylacetat är mycket högre än elektrolytens konduktivitet med endast propenkarbonat som lösningsmedel, eftersom den relativt låga fryspunkten ( -96 ° C) och viskositet (0,36 cp) av etylacetat främjar den snabba rörelsen av litiumjoner vid låga temperaturer.Det kan ses från fig. 2b att elektrolytens viskositet kommer att öka efter tillsatsen av den designade tillsatsen (PMMA-IL-TFSI), men ökningen av viskositeten påverkar inte elektrolytens konduktivitet.Intressant nog resulterar tillsatsen av tillsatsen i en avsevärd ökning av elektrolytens konduktivitet.Detta beror på: 1) Den joniska vätskan hämmar stelningen av elektrolyten vid låga temperaturer.Mjukgöringseffekten som orsakas av närvaron av jonisk vätska minskar glasfasövergångstemperaturen i elektrolytsystemet (fig. 2c), så jonledning är lättare under lågtemperaturförhållanden;2) PMMA mikrosfärstruktur ympad av jonisk vätska kan betraktas som en "enjonledare".Tillsatsen av tillsatsen ökar avsevärt mängden fritt rörliga litiumjoner i elektrolytsystemet, vilket ökar elektrolytens konduktivitet vid såväl rumstemperatur som vid låga temperaturer.

Figur 1. Syntesväg för tillsatser.

Figur 2. (a) Elektrolytens ledningsförmåga som en funktion av temperaturen.(b) Viskositet hos elektrolytsystemet vid olika temperaturer.(c) DSC-analys.

Därefter jämförde författarna den elektrokemiska prestandan hos två elektrolytsystem som innehåller tillsatser och inga tillsatser vid olika lågtemperaturförhållanden.Det kan ses från fig. 3 att efter att ha cirkulerat 90 cykler vid en strömtäthet på 0,5 C, finns det ingen signifikant skillnad i kapaciteten hos de två elektrolytsystemen vid 20°C.När temperaturen sänks uppvisar elektrolyten som innehåller tillsatsen överlägsen cykelprestanda än elektrolyten utan tillsatsen.Vid 0 °C, -20 °C och -40 °C kan kapaciteten hos elektrolyten som innehåller tillsatsen efter cykling nå 107, 84 och 48 mA/g, betydligt högre än kapaciteten för elektrolyten utan tillsatser efter cykling vid olika temperaturer (respektive 94, 40 och 5 mA/g), och den coulombiska effektiviteten efter 90 cykler av elektrolyten innehållande tillsatsen förblev vid 99,5 %.Figur 4 jämför hastighetsprestandan för de två systemen vid 20 ° C, -20 ° C och -40 ° C. En minskning av temperaturen orsakar en minskning av batteriets kapacitet, men efter tillsatsen av tillsatsen är hastigheten batteriets prestanda förbättras avsevärt.Till exempel, vid -20 ° C, kan batteriet som innehåller tillsatsen fortfarande nå en kapacitet på 38 mA/g vid en strömtäthet på 2 C, medan batteriet utan tillsatsen inte fungerar korrekt vid 2 C.

Figur 3. Cyklisk prestanda och coulombisk effektivitet för batteriet vid olika temperaturer: (a, c) elektrolytinnehållande tillsatser;(b, d) elektrolyt utan tillsatser.

Figur 4. Värdera batteriets prestanda vid olika temperaturer: (a, b, c) elektrolyt med tillsatser;(d, e, f) elektrolyt utan tillsatser.

Slutligen undersökte författarna de underliggande mekanismerna ytterligare genom SEM-observation och EIS-testning och klargjorde de möjliga orsakerna till närvaron av tillsatser för att få batteriet att uppvisa utmärkt elektrokemisk prestanda vid låga temperaturer: 1) PMMA-IL-TFSI-strukturen hämmar elektrolytens stelning och Att öka mängden fritt rörliga litiumjoner i systemet gör att elektrolyten ökar kraftigt vid låga temperaturer;2) ökningen av fritt rörliga litiumjoner saktar ner polarisationseffekten under laddning och urladdning och bildar därigenom en stabil SEI-film;3) närvaron av joniska vätskor. SEI-filmen görs mer ledande och främjar passagen av litiumjoner genom SEI-filmen, såväl som snabb laddningsöverföring.Det kan ses från fig. 5 att SEI-filmen som bildas av elektrolytsystemet som innehåller tillsatsen är mer stabil och fast, och det finns inga uppenbara skador och sprickor efter cykeln, och elektrolyten och elektroden reagerar ytterligare.Genom EIS-analys (Figur 6), däremot, har elektrolytsystem som innehåller tillsatser mindre RSEI och mindre RCT, vilket indikerar mindre motstånd av litiumjoner över SEI-membranet och snabbare migration från SEI till elektroden.

Figur 5. SEM-foto av litiumarket efter slutet av cykeln vid -20 ° C (a, c, d, f) och -40 ° C (b, e): (a, b, c) innehåller tillsatser;(d, e, f) innehåller inga tillsatser.

Figur 6. EIS-test vid olika temperaturer.

Artikeln publicerades i den internationellt kända tidskriften ACS Applied Energy Materials.Huvudarbetet slutfördes av Dr Li Yang, den första författaren till tidningen.