Nová aditiva zlepšují výkon lithium-iontových baterií při nízkých teplotách

Obrázek 1 je proces syntézy aditiva.Především je molekulární řetězec iontové kapaliny naroubován na nanosféru polymethylmethakrylátu (PMMA) reakcí za vzniku kartáčovité hlavní struktury a poté je struktura dispergována v ethylacetátu (MA).A nový elektrolytický systém je vytvořen ve směsném rozpouštědle propylenkarbonátu (PC).Jak je znázorněno na obr. 2a, vodivost elektrolytu klesá s klesající teplotou a vodivost elektrolytu obsahujícího ethylacetát je mnohem vyšší než vodivost elektrolytu používajícího pouze propylenkarbonát jako rozpouštědlo, protože relativně nízký bod tuhnutí ( -96 °C) a viskozita (0,36 cp) ethylacetátu podporují rychlý pohyb iontů lithia při nízkých teplotách.Z obr. 2b je patrné, že po přidání navrženého aditiva (PMMA-IL-TFSI) se viskozita elektrolytu zvýší, ale zvýšení viskozity neovlivňuje vodivost elektrolytu.Je zajímavé, že přidání přísady má za následek podstatné zvýšení vodivosti elektrolytu.To je způsobeno: 1) Iontová kapalina inhibuje tuhnutí elektrolytu při nízkých teplotách.Plastifikační efekt způsobený přítomností iontové kapaliny snižuje teplotu skelného fázového přechodu elektrolytického systému (obr. 2c), takže vedení iontů je snazší za podmínek nízké teploty;2) Strukturu mikrokuliček PMMA naroubovanou iontovou kapalinou lze považovat za „jednoiontový vodič“.Přidání aditiva značně zvyšuje množství volně se pohybujících lithných iontů v elektrolytickém systému, čímž se zvyšuje vodivost elektrolytu při pokojové teplotě i při nízkých teplotách.

Obrázek 1. Syntetická cesta pro přísady.

Obrázek 2. (a) Vodivost elektrolytu jako funkce teploty.(b) Viskozita elektrolytického systému při různých teplotách.(c) DSC analýza.

Následně autoři porovnali elektrochemický výkon dvou elektrolytických systémů obsahujících aditiva a žádná aditiva při různých nízkoteplotních podmínkách.Z obr. 3 je vidět, že po cirkulaci 90 cyklů při proudové hustotě 0,5 C není žádný významný rozdíl v kapacitě obou elektrolytických systémů při 20 °C.Když se teplota sníží, elektrolyt obsahující přísadu vykazuje lepší cyklus cyklu než elektrolyt bez přísady.Při 0 °C, -20 °C a -40 °C může kapacita elektrolytu obsahujícího aditivum po cyklování dosáhnout 107, 84 a 48 mA / g, což je výrazně vyšší než kapacita elektrolytu bez aditiv po cyklování při různých teplotách (respektive při 94, 40 a 5 mA/g) a coulombická účinnost po 90 cyklech elektrolytu obsahujícího přísadu zůstala na 99,5 %.Obrázek 4 porovnává rychlostní výkon obou systémů při 20 °C, -20 °C a -40 °C. Snížení teploty způsobí pokles kapacity baterie, ale po přidání aditiva se rychlost výkon baterie se výrazně zlepšil.Například při -20 °C může baterie obsahující aditivum stále dosahovat kapacity 38 mA/g při proudové hustotě 2 °C, zatímco baterie bez aditiva při 2 °C nepracuje správně.

Obrázek 3. Cyklický výkon a coulombická účinnost baterie při různých teplotách: (a, c) přísady obsahující elektrolyt;(b, d) elektrolyt bez přísad.

Obrázek 4. Výkonnost baterie při různých teplotách: (a, b, c) elektrolyt s přísadami;(d, e, f) elektrolyt bez přísad.

Nakonec autoři dále zkoumali základní mechanismy pozorováním SEM a testováním EIS a objasnili možné důvody přítomnosti aditiv, aby baterie vykazovala vynikající elektrochemický výkon při nízkých teplotách: 1) Struktura PMMA-IL-TFSI inhibuje tuhnutí elektrolytu a Zvýšení množství volně se pohybujících lithných iontů v systému způsobí výrazné zvýšení elektrolytu při nízkých teplotách;2) nárůst volně se pohybujících lithných iontů zpomaluje polarizační efekt během nabíjení a vybíjení, čímž se vytváří stabilní SEI film;3) přítomnost iontových kapalin Film SEI je vodivější a podporuje průchod iontů lithia filmem SEI a také rychlý přenos náboje.Z obr. 5 je vidět, že SEI film tvořený elektrolytickým systémem obsahujícím aditivum je stabilnější a pevnější a po cyklu nedochází k žádnému zjevnému poškození a prasklinám a elektrolyt a elektroda dále reagují.Podle analýzy EIS (obrázek 6) mají elektrolytové systémy obsahující aditiva menší RSEI a menší RCT, což ukazuje na menší odpor ionty lithia přes membránu SEI a rychlejší migraci ze SEI na elektrodu.

Obrázek 5. SEM fotografie lithiové fólie po skončení cyklu při -20 °C (a, c, d, f) a -40 °C (b, e): (a, b, c) obsahuje přísady;(d, e, f) neobsahuje žádné přísady.

Obrázek 6. Test EIS při různých teplotách.

Článek byl publikován v mezinárodně uznávaném časopise ACS Applied Energy Materials.Hlavní práci dokončil Dr. Li Yang, první autor článku.