Новыя дадаткі паляпшаюць характарыстыкі літый-іённых батарэй пры нізкіх тэмпературах

Малюнак 1 - працэс сінтэзу дабаўкі.Галоўным чынам, малекулярны ланцуг іённай вадкасці прышчапляецца да нанасферы поліметылметакрылату (ПММА) у выніку рэакцыі з адукацыяй шчоткападобнай асноўнай структуры, а затым гэтая структура дыспергуецца ў этылацэтаце (МА).І новая электралітная сістэма ўтвараецца ў змешаным растваральніку прапіленкарбанат (ПК).Як паказана на мал. 2а, праводнасць электраліта памяншаецца па меры паніжэння тэмпературы, а праводнасць электраліта, які змяшчае этилацетат, значна вышэй, чым электраліта, які выкарыстоўвае ў якасці растваральніка толькі карбанат прапілену, таму што адносна нізкая тэмпература замярзання ( -96 ° С) і глейкасць (0,36 сП) этилацетата спрыяюць хуткаму руху іёнаў літыя пры нізкіх тэмпературах.З мал. 2b відаць, што глейкасць электраліта павялічыцца пасля дадання распрацаванай дабаўкі (PMMA-IL-TFSI), але павелічэнне глейкасці не ўплывае на праводнасць электраліта.Цікава, што даданне дабаўкі прыводзіць да істотнага павелічэння праводнасці электраліта.Гэта звязана з: 1) Іённая вадкасць перашкаджае зацвярдзенню электраліта пры нізкіх тэмпературах.Эфект пластыфікацыі, выкліканы прысутнасцю іённай вадкасці, зніжае тэмпературу шклянога пераходу электралітнай сістэмы (мал. 2c), таму іённая праводнасць лягчэй ва ўмовах нізкай тэмпературы;2) Структуру мікрасферы ПММА, прышчэпленую іённай вадкасцю, можна разглядаць як «адзін-іённы праваднік».Даданне дабаўкі значна павялічвае колькасць іёнаў літыя, якія свабодна рухаюцца ў сістэме электраліта, тым самым павялічваючы праводнасць электраліта пры пакаёвай тэмпературы, а таксама пры нізкіх тэмпературах.

Малюнак 1. Сінтэтычны шлях дабавак.

Малюнак 2. (а) Праводнасць электраліта ў залежнасці ад тэмпературы.(б) Глейкасць электралітнай сістэмы пры розных тэмпературах.(c) DSC аналіз.

Пасля аўтары параўналі электрахімічныя характарыстыкі дзвюх электралітных сістэм, якія змяшчаюць і не змяшчаюць дабаўкі, пры розных нізкіх тэмпературах.З мал. 3 відаць, што пасля 90 цыклаў цыркуляцыі пры шчыльнасці току 0,5 C істотнай розніцы ў ёмістасці дзвюх электралітных сістэм пры 20 °C няма.Калі тэмпература паніжаецца, электраліт, які змяшчае дабаўку, дэманструе лепшыя характарыстыкі цыкла, чым электраліт без дабаўкі.Пры тэмпературах 0 °C, -20 °C і -40 °C ёмістасць электраліта, які змяшчае дабаўку, пасля цыкла можа дасягаць 107, 84 і 48 мА/г, што значна вышэй, чым ёмістасць электраліта без дабавак пасля цыкла пры розных тэмпературах. тэмпературах (адпаведна У 94, 40 і 5 мА/г), а кулонаўская эфектыўнасць пасля 90 цыклаў электраліта, які змяшчае дабаўку, заставалася на ўзроўні 99,5%.На малюнку 4 параўноўваюцца характарыстыкі хуткасці дзвюх сістэм пры 20 °C, -20 °C і -40 °C. Зніжэнне тэмпературы выклікае памяншэнне ёмістасці акумулятара, але пасля дадання дабаўкі хуткасць прадукцыйнасць батарэі значна палепшылася.Напрыклад, пры тэмпературы -20 °C батарэя, якая змяшчае дабаўку, усё яшчэ можа дасягаць ёмістасці 38 мА/г пры шчыльнасці току 2 C, а батарэя без дабаўкі не працуе належным чынам пры 2 C.

Малюнак 3. Цыклічная прадукцыйнасць і кулонаўская эфектыўнасць батарэі пры розных тэмпературах: (а, в) электраліт, які змяшчае дабаўкі;(б, г) электраліт без дабавак.

Малюнак 4. Прадукцыйнасць батарэі пры розных тэмпературах: (а, б, в) электраліт з дадаткамі;(г, д, е) электраліт без дабавак.

Нарэшце, аўтары дадаткова даследавалі асноўныя механізмы з дапамогай назірання РЭМ і тэставання EIS і ўдакладнілі магчымыя прычыны прысутнасці дабавак, каб зрабіць акумулятар дэманстраваць выдатныя электрахімічныя характарыстыкі пры нізкіх тэмпературах: 1) структура PMMA-IL-TFSI перашкаджае зацвярдзенню электраліта і Павелічэнне колькасці свабодна рухаюцца іёнаў літыя ў сістэме прымушае электраліт значна павялічвацца пры нізкіх тэмпературах;2) павелічэнне свабодна рухаюцца іёнаў літыя запавольвае эфект палярызацыі падчас зарада і разраду, утвараючы тым самым стабільную плёнку SEI;3) наяўнасць іённых вадкасцей. Плёнка SEI робіцца больш праводнай і спрыяе праходжанню іёнаў літыя праз плёнку SEI, а таксама хуткай перадачы зарада.На малюнку 5 відаць, што плёнка SEI, утвораная электралітнай сістэмай, якая змяшчае дабаўку, з'яўляецца больш стабільнай і цвёрдай, і няма відавочных пашкоджанняў і расколін пасля цыкла, і электраліт і электрод далей рэагуюць.Згодна з аналізам EIS (малюнак 6), насупраць, электралітныя сістэмы, якія змяшчаюць дабаўкі, маюць меншы RSEI і меншы RCT, што паказвае на меншую супраціўляльнасць іёны літыя праз мембрану SEI і больш хуткую міграцыю ад SEI да электрода.

Малюнак 5. SEM фота ліста літыя пасля заканчэння цыклу пры -20 °C (a, c, d, f) і -40 °C (b, e): (a, b, c) змяшчае дадаткі;(d, e, f) не ўтрымлівае дабавак.

Малюнак 6. Тэст EIS пры розных тэмпературах.

Артыкул быў апублікаваны ў сусветна вядомым часопісе ACS Applied Energy Materials.Асноўную працу завяршыў доктар Лі Ян, першы аўтар артыкула.