Yeni katkı maddeleri lityum iyon pillerin düşük sıcaklık performansını artırıyor

Şekil 1, katkı maddesinin sentezlenmesine yönelik bir işlemdir. Temel olarak iyonik sıvı moleküler zincir, fırça benzeri bir ana yapı oluşturmak üzere reaksiyonla polimetil metakrilat (PMMA) nanosferine aşılanır ve daha sonra yapı, etil asetat (MA) içinde dağıtılır. Ve karışık bir propilen karbonat (PC) çözücüsünde yeni bir elektrolit sistemi oluşturulur. Şekil 2a'da gösterildiği gibi, sıcaklık düştükçe elektrolitin iletkenliği azalır ve etil asetat içeren elektrolitin iletkenliği, çözücü olarak yalnızca propilen karbonat kullanan elektrolitinkinden çok daha yüksektir, çünkü nispeten düşük donma noktası ( Etil asetatın -96 ° C) ve viskozitesi (0,36 cp), düşük sıcaklıklarda lityum iyonlarının hızlı hareketini destekler. Şekil 2b'den, tasarlanan katkı maddesinin (PMMA-IL-TFSI) eklenmesinden sonra elektrolitin viskozitesinin artacağı, ancak viskozitedeki artışın elektrolitin iletkenliğini etkilemediği görülmektedir. İlginçtir ki, katkı maddesinin eklenmesi elektrolitin iletkenliğinde önemli bir artışa neden olur. Bunun nedeni: 1) İyonik sıvı, düşük sıcaklıklarda elektrolitin katılaşmasını engeller. İyonik sıvının varlığının neden olduğu plastikleştirme etkisi, elektrolit sisteminin cam fazı geçiş sıcaklığını azaltır (Şekil 2c), dolayısıyla düşük sıcaklık koşullarında iyon iletimi daha kolaydır; 2) İyonik sıvı ile aşılanmış PMMA mikroküre yapısı “tek iyon iletkeni” olarak kabul edilebilir. Katkı maddesinin eklenmesi, elektrolit sistemindeki serbestçe hareket eden lityum iyonlarının miktarını büyük ölçüde arttırır, böylece elektrolitin hem oda sıcaklığında hem de düşük sıcaklıklarda iletkenliğini arttırır.

Şekil 1. Katkı maddeleri için sentetik yol.

Şekil 2. (a) Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak elektrolitin iletkenliği. (b) Elektrolit sisteminin farklı sıcaklıklarda viskozitesi. (c) DSC analizi.

Daha sonra yazarlar, farklı düşük sıcaklık koşullarında katkı maddesi içeren ve katkı maddesi içermeyen iki elektrolit sisteminin elektrokimyasal performansını karşılaştırdılar. Şekil 3'te, 0,5°C'lik bir akım yoğunluğunda 90 döngü dolaştıktan sonra, 20°C'de iki elektrolit sisteminin kapasitesinde önemli bir fark olmadığı görülebilmektedir. Sıcaklık düştükçe katkı maddesi içeren elektrolit, katkı maddesi içermeyen elektrolite göre daha üstün çevrim performansı sergiler. 0 °C, -20 °C ve -40 °C'de, katkı maddesini içeren elektrolitin döngüsü sonrasında kapasitesi 107, 84 ve 48 mA / g'ye ulaşabilir; bu, farklı sıcaklıklarda döngü sonrasında katkı maddesi içermeyen elektrolitin kapasitesinden önemli ölçüde daha yüksektir. sıcaklıklarda (sırasıyla 94, 40 ve 5 mA/g'de) ve katkı maddesini içeren elektrolitin 90 döngüsünden sonra kulomb verimliliği %99,5'te kaldı. Şekil 4'te iki sistemin 20°C, -20°C ve -40°C'deki hız performansı karşılaştırılmaktadır. Sıcaklıktaki bir düşüş pilin kapasitesinde bir azalmaya neden olur ancak katkı maddesi eklendikten sonra hız artar. Pilin performansı büyük ölçüde geliştirildi. Örneğin -20 °C'de katkı maddesi içeren pil 2 C akım yoğunluğunda hala 38 mA/g kapasiteye ulaşabiliyorken, katkı maddesi içermeyen pil 2 C'de düzgün çalışmamaktadır.

Şekil 3. Pilin farklı sıcaklıklardaki döngüsel performansı ve kulombik verimliliği: (a, c) elektrolit içeren katkı maddeleri; (b, d) katkı maddesi içermeyen elektrolit.

Şekil 4. Pilin farklı sıcaklıklardaki performansının değerlendirilmesi: (a, b, c) katkı maddeleri içeren elektrolit; (d, e, f) katkı maddesi içermeyen elektrolit.

Son olarak yazarlar, SEM gözlemi ve EIS testi ile altta yatan mekanizmaları daha da araştırdılar ve pilin düşük sıcaklıklarda mükemmel elektrokimyasal performans sergilemesini sağlayan katkı maddelerinin varlığının olası nedenlerini açıkladılar: 1) PMMA-IL-TFSI yapısı elektrolitin katılaşmasını engeller ve Sistemde serbestçe hareket eden lityum iyonlarının miktarının arttırılması, düşük sıcaklıklarda elektrolitin büyük ölçüde artmasına neden olur; 2) serbestçe hareket eden lityum iyonlarının artması, şarj ve deşarj sırasında polarizasyon etkisini yavaşlatır, böylece stabil bir SEI filmi oluşturur; 3) iyonik sıvıların varlığı SEI filmi daha iletken hale getirilir ve lityum iyonlarının SEI filmi boyunca geçişini ve ayrıca hızlı yük transferini destekler. Şekil 5'te, katkı maddesini içeren elektrolit sisteminin oluşturduğu SEI filminin daha stabil ve sağlam olduğu, döngüden sonra belirgin bir hasar ve çatlak olmadığı ve elektrolit ile elektrotun daha fazla reaksiyona girdiği görülmektedir. EIS analizine göre (Şekil 6), aksine, katkı maddeleri içeren elektrolit sistemleri daha küçük RSEI'ye ve daha küçük RCT'ye sahiptir; bu da daha az direnç gösterir. lityum iyonları SEI membranı boyunca ve SEI'den elektrota daha hızlı geçiş.

Şekil 5. -20 °C (a, c, d, f) ve -40 °C (b, e)'de döngünün bitiminden sonra lityum levhanın SEM fotoğrafı: (a, b, c) katkı maddeleri içerir; (d, e , f) hiçbir katkı maddesi içermez.

Şekil 6. Farklı sıcaklıklarda EIS testi.

Makale uluslararası üne sahip ACS Applied Energy Materials dergisinde yayınlandı. Ana çalışma, makalenin ilk yazarı Dr. Li Yang tarafından tamamlandı.