Chất phụ gia mới cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium ion

Hình 1 là quá trình tổng hợp phụ gia. Chủ yếu, chuỗi phân tử chất lỏng ion được ghép vào tầng nano polymethyl methacrylate (PMMA) bằng phản ứng để tạo thành cấu trúc chính giống như bàn chải, sau đó cấu trúc này được phân tán trong ethyl acetate (MA). Và một hệ điện phân mới được hình thành trong dung môi hỗn hợp propylene cacbonat (PC). Như được hiển thị trong Hình 2a, độ dẫn điện của chất điện phân giảm khi nhiệt độ giảm và độ dẫn điện của chất điện phân chứa etyl axetat cao hơn nhiều so với độ dẫn điện của chất điện phân chỉ sử dụng propylene cacbonat làm dung môi, bởi vì Điểm đóng băng tương đối thấp ( -96°C) và độ nhớt (0,36 cp) của etyl axetat thúc đẩy sự chuyển động nhanh chóng của các ion lithium ở nhiệt độ thấp. Có thể thấy trong hình 2b rằng độ nhớt của chất điện phân sẽ tăng sau khi thêm chất phụ gia được thiết kế (PMMA-IL-TFSI), nhưng việc tăng độ nhớt không ảnh hưởng đến độ dẫn điện của chất điện phân. Điều thú vị là, việc bổ sung chất phụ gia sẽ làm tăng đáng kể độ dẫn điện của chất điện phân. Điều này là do: 1) Chất lỏng ion ức chế quá trình đông đặc của chất điện phân ở nhiệt độ thấp. Hiệu ứng dẻo hóa do sự có mặt của chất lỏng ion làm giảm nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của hệ điện phân (Hình 2c), do đó việc dẫn ion dễ dàng hơn trong điều kiện nhiệt độ thấp; 2) Cấu trúc kính hiển vi PMMA được ghép bằng chất lỏng ion có thể được coi là “dây dẫn ion đơn”. Việc bổ sung chất phụ gia làm tăng đáng kể lượng ion lithium chuyển động tự do trong hệ thống chất điện phân, do đó làm tăng độ dẫn điện của chất điện phân ở nhiệt độ phòng cũng như ở nhiệt độ thấp.

Hình 1. Con đường tổng hợp phụ gia.

Hình 2. (a) Độ dẫn điện của chất điện phân là hàm số của nhiệt độ. (b) Độ nhớt của hệ điện phân ở các nhiệt độ khác nhau. (c) Phân tích DSC.

Sau đó, các tác giả đã so sánh hiệu suất điện hóa của hai hệ thống điện phân có chứa chất phụ gia và không có chất phụ gia ở các điều kiện nhiệt độ thấp khác nhau. Có thể thấy trong Hình 3 rằng sau khi tuần hoàn 90 chu kỳ ở mật độ dòng điện 0,5 C, không có sự khác biệt đáng kể về công suất của hai hệ thống điện phân ở 20 ° C. Khi nhiệt độ hạ xuống, chất điện phân có chứa chất phụ gia thể hiện hiệu suất chu trình vượt trội so với chất điện phân không có chất phụ gia. Ở 0 °C, -20 °C và -40 °C, công suất của chất điện phân chứa chất phụ gia sau khi đạp xe có thể đạt 107, 84 và 48 mA/g, cao hơn đáng kể so với công suất của chất điện phân không có chất phụ gia sau khi đạp xe ở các nhiệt độ khác nhau. nhiệt độ (tương ứng ở mức 94, 40 và 5 mA/g), và hiệu suất coulombic sau 90 chu kỳ của chất điện phân chứa chất phụ gia vẫn ở mức 99,5%. Hình 4 so sánh hiệu suất tốc độ của hai hệ thống ở 20 ° C, -20 ° C và -40 ° C. Nhiệt độ giảm làm giảm dung lượng của pin, nhưng sau khi bổ sung chất phụ gia, tốc độ hiệu suất của pin được cải thiện rất nhiều. Ví dụ, ở -20°C, pin chứa chất phụ gia vẫn có thể đạt công suất 38 mA/g ở mật độ dòng điện là 2°C, trong khi pin không có chất phụ gia sẽ không hoạt động bình thường ở mức 2°C.

Hình 3. Hiệu suất tuần hoàn và hiệu suất coulombic của pin ở các nhiệt độ khác nhau: (a, c) chất điện phân có chứa chất phụ gia; (b, d) chất điện phân không có chất phụ gia.

Hình 4. Đánh giá hiệu suất của pin ở các nhiệt độ khác nhau: (a, b, c) chất điện phân có chất phụ gia; (d, e, f) chất điện phân không có chất phụ gia.

Cuối cùng, các tác giả đã nghiên cứu sâu hơn các cơ chế cơ bản bằng quan sát SEM và thử nghiệm EIS, đồng thời làm rõ các lý do có thể dẫn đến sự hiện diện của các chất phụ gia giúp pin thể hiện hiệu suất điện hóa tuyệt vời ở nhiệt độ thấp: 1) Cấu trúc PMMA-IL-TFSI ức chế quá trình hóa rắn chất điện phân và Việc tăng lượng ion lithium chuyển động tự do trong hệ thống khiến chất điện phân tăng lên rất nhiều ở nhiệt độ thấp; 2) sự gia tăng của các ion lithium chuyển động tự do làm chậm hiệu ứng phân cực trong quá trình tích điện và phóng điện, từ đó hình thành màng SEI ổn định; 3) sự hiện diện của chất lỏng ion Màng SEI được làm dẫn điện tốt hơn và thúc đẩy sự di chuyển của các ion lithium qua màng SEI, cũng như truyền điện tích nhanh chóng. Có thể thấy trong Hình 5, màng SEI được hình thành bởi hệ thống điện phân chứa chất phụ gia ổn định và chắc chắn hơn, không có hư hỏng và vết nứt rõ ràng sau chu kỳ, đồng thời chất điện phân và điện cực sẽ tiếp tục phản ứng. Ngược lại, bằng phân tích EIS (Hình 6), hệ thống điện phân chứa chất phụ gia có RSEI nhỏ hơn và RCT nhỏ hơn, cho thấy điện trở của ion lithium qua màng SEI và di chuyển nhanh hơn từ SEI sang điện cực.

Hình 5. Ảnh SEM của tấm lithium sau khi kết thúc chu trình ở -20°C (a, c, d, f) và -40°C (b, e): (a, b, c) chứa các chất phụ gia; (d, e, f) không chứa chất phụ gia.

Hình 6. Kiểm tra EIS ở các nhiệt độ khác nhau.

Bài báo đã được đăng trên tạp chí nổi tiếng quốc tế ACS Ứng dụng Vật liệu Năng lượng. Công việc chính được hoàn thành bởi Tiến sĩ Li Yang, tác giả đầu tiên của bài báo.