สารเติมแต่งใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

รูปที่ 1 เป็นกระบวนการสังเคราะห์สารเติมแต่ง โดยหลักแล้ว สายโซ่โมเลกุลของเหลวไอออนิกจะถูกกราฟต์ลงบนโพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) นาโนสเฟียร์โดยปฏิกิริยาเพื่อสร้างโครงสร้างหลักที่มีลักษณะคล้ายแปรง จากนั้นโครงสร้างจะกระจายไปในเอทิลอะซิเตต (MA) และระบบอิเล็กโทรไลต์ใหม่จะถูกสร้างขึ้นในตัวทำละลายผสมของโพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) ดังที่แสดงในรูปที่ 2a ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์จะลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง และความนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ที่มีเอทิลอะซิเตตจะสูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์มากโดยใช้โพรพิลีนคาร์บอเนตเป็นตัวทำละลายเท่านั้น เนื่องจาก จุดเยือกแข็งค่อนข้างต่ำ ( -96 ° C) และความหนืด (0.36 cp) ของเอทิลอะซิเตตช่วยให้ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำ จะเห็นได้จากรูปที่ 2b ว่าความหนืดของอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้นหลังจากการเติมสารเติมแต่งที่ออกแบบไว้ (PMMA-IL-TFSI) แต่การเพิ่มความหนืดไม่ส่งผลต่อการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ สิ่งที่น่าสนใจคือ การเติมสารเติมแต่งส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้นอย่างมาก นี่เป็นเพราะ: 1) ของเหลวไอออนิกยับยั้งการแข็งตัวของอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิต่ำ ผลกระทบของการทำให้เป็นพลาสติกที่เกิดจากการมีอยู่ของของเหลวไอออนิกจะช่วยลดอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสแก้วของระบบอิเล็กโทรไลต์ (รูปที่ 2c) ดังนั้นการนำไอออนจึงง่ายกว่าภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ 2) โครงสร้างไมโครสเฟียร์ PMMA ที่กราฟต์ด้วยของเหลวไอออนิกถือได้ว่าเป็น "ตัวนำไอออนเดี่ยว" การเติมสารเติมแต่งจะเพิ่มปริมาณลิเธียมไอออนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระในระบบอิเล็กโทรไลต์อย่างมาก จึงทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิห้องและที่อุณหภูมิต่ำด้วย

รูปที่ 1 เส้นทางสังเคราะห์สำหรับสารเติมแต่ง

รูปที่ 2 (a) ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ตามฟังก์ชันของอุณหภูมิ (b) ความหนืดของระบบอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิต่างกัน (c) การวิเคราะห์ DSC

ต่อมา ผู้เขียนได้เปรียบเทียบประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของระบบอิเล็กโทรไลต์ 2 ระบบที่มีสารเติมแต่งและไม่มีสารเติมแต่งในสภาวะอุณหภูมิต่ำที่แตกต่างกัน จะเห็นได้จากรูปที่ 3 ว่าหลังจากหมุนเวียน 90 รอบที่ความหนาแน่นกระแส 0.5 C ความจุของระบบอิเล็กโทรไลต์ทั้งสองระบบที่อุณหภูมิ 20 °C ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ เมื่ออุณหภูมิลดลง อิเล็กโทรไลต์ที่มีสารเติมแต่งจะแสดงประสิทธิภาพของวงจรที่เหนือกว่าอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีสารเติมแต่ง ที่อุณหภูมิ 0 °C, -20 °C และ -40 °C ความจุของอิเล็กโทรไลต์ที่มีสารเติมแต่งหลังการหมุนเวียนจะอยู่ที่ 107, 84 และ 48 mA / g ซึ่งสูงกว่าความจุของอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีสารเติมแต่งหลังจากการหมุนเวียนที่อุณหภูมิต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ อุณหภูมิ (ตามลำดับ ที่ 94, 40 และ 5 mA/g) และประสิทธิภาพคูลอมบิกหลังจาก 90 รอบของอิเล็กโทรไลต์ที่มีสารเติมแต่งยังคงอยู่ที่ 99.5% รูปที่ 4 เปรียบเทียบประสิทธิภาพอัตราของทั้งสองระบบที่ 20 ° C, -20 ° C และ -40 ° C อุณหภูมิที่ลดลงทำให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลง แต่หลังจากเติมสารเติมแต่ง อัตรา ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิ -20 ° C แบตเตอรี่ที่มีสารเติมแต่งยังคงมีความจุ 38 mA/g ที่ความหนาแน่นกระแส 2 C ในขณะที่แบตเตอรี่ที่ไม่มีสารเติมแต่งจะทำงานไม่ถูกต้องที่อุณหภูมิ 2 C

รูปที่ 3 สมรรถนะของวงจรและประสิทธิภาพคูลอมบิกของแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่างๆ: (a, c) สารเติมแต่งที่มีอิเล็กโทรไลต์; (b, d) อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีสารเติมแต่ง

รูปที่ 4 อัตราประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่างๆ: (a, b, c) อิเล็กโทรไลต์ที่มีสารเติมแต่ง; (d, e, f) อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีสารเติมแต่ง

ในที่สุด ผู้เขียนได้ตรวจสอบกลไกพื้นฐานเพิ่มเติมโดยการสังเกต SEM และการทดสอบ EIS และชี้แจงสาเหตุที่เป็นไปได้ของการมีอยู่ของสารเติมแต่งเพื่อทำให้แบตเตอรี่แสดงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิต่ำ: 1) โครงสร้าง PMMA-IL-TFSI ยับยั้งการแข็งตัวของอิเล็กโทรไลต์และ การเพิ่มปริมาณลิเธียมไอออนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระในระบบทำให้อิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้นอย่างมากที่อุณหภูมิต่ำ 2) การเพิ่มขึ้นของลิเธียมไอออนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระจะทำให้เอฟเฟกต์โพลาไรเซชันช้าลงระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ดังนั้นจึงสร้างฟิล์ม SEI ที่เสถียร 3) การมีอยู่ของของเหลวไอออนิก ฟิล์ม SEI มีคุณสมบัติเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้นและส่งเสริมการผ่านของลิเธียมไอออนผ่านฟิล์ม SEI รวมถึงการถ่ายโอนประจุที่รวดเร็ว จะเห็นได้จากรูปที่ 5 ว่าฟิล์ม SEI ที่เกิดขึ้นโดยระบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีสารเติมแต่งมีความเสถียรและมั่นคงมากขึ้น และไม่มีความเสียหายและรอยแตกที่เห็นได้ชัดเจนหลังจากรอบการทำงาน และอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดจะมีปฏิกิริยาเพิ่มเติม จากการวิเคราะห์ EIS (รูปที่ 6) ในทางตรงกันข้าม ระบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีสารเติมแต่งจะมี RSEI น้อยกว่าและ RCT น้อยกว่า ซึ่งบ่งชี้ถึงความต้านทานของ ลิเธียมไอออน ข้ามเมมเบรน SEI และการย้ายจาก SEI ไปยังอิเล็กโทรดเร็วขึ้น

รูปที่ 5 ภาพถ่าย SEM ของแผ่นลิเธียมหลังจากสิ้นสุดรอบที่ -20 ° C (a, c, d, f) และ -40 ° C (b, e): (a, b, c) มีสารเติมแต่ง; (d, e, f) ไม่มีสารเติมแต่ง

รูปที่ 6 การทดสอบ EIS ที่อุณหภูมิต่างๆ

บทความนี้ตีพิมพ์ในวารสาร ACS Applied Energy Materials ที่มีชื่อเสียงระดับนานาชาติ งานหลักเสร็จสมบูรณ์โดย ดร. หลี่ หยาง ผู้เขียนบทความคนแรก