Nuevos aditivos mejoran el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio

La figura 1 es un proceso de síntesis del aditivo.Principalmente, la cadena molecular líquida iónica se injerta en la nanoesfera de metacrilato de polimetilo (PMMA) por reacción para formar una estructura principal similar a un cepillo, y luego la estructura se dispersa en acetato de etilo (MA).Y se forma un nuevo sistema electrolítico en un solvente mixto de carbonato de propileno (PC).Como se muestra en la Fig. 2a, la conductividad del electrolito disminuye a medida que disminuye la temperatura, y la conductividad del electrolito que contiene acetato de etilo es mucho más alta que la del electrolito que usa solo carbonato de propileno como solvente, porque El punto de congelación relativamente bajo ( -96 °C) y la viscosidad (0,36 cp) del acetato de etilo favorecen el rápido movimiento de los iones de litio a bajas temperaturas.En la Fig. 2b se puede ver que la viscosidad del electrolito aumentará después de agregar el aditivo diseñado (PMMA-IL-TFSI), pero el aumento de la viscosidad no afecta la conductividad del electrolito.Curiosamente, la adición del aditivo da como resultado un aumento sustancial de la conductividad del electrolito.Esto se debe a que: 1) El líquido iónico inhibe la solidificación del electrolito a bajas temperaturas.El efecto de plastificación causado por la presencia de líquido iónico reduce la temperatura de transición de fase vítrea del sistema electrolítico (Fig. 2c), por lo que la conducción de iones es más fácil en condiciones de baja temperatura;2) La estructura de microesferas de PMMA injertada por líquido iónico puede considerarse como un "conductor de un solo ion".La adición del aditivo aumenta en gran medida la cantidad de iones de litio que se mueven libremente en el sistema electrolítico, lo que aumenta la conductividad del electrolito a temperatura ambiente así como a bajas temperaturas.

Figura 1. Ruta de síntesis de aditivos.

Figura 2. (a) La conductividad del electrolito en función de la temperatura.(b) Viscosidad del sistema electrolítico a diferentes temperaturas.( c ) Análisis DSC.

Posteriormente, los autores compararon el rendimiento electroquímico de dos sistemas de electrolitos que contenían aditivos y sin aditivos en diferentes condiciones de baja temperatura.Se puede ver en la Fig. 3 que después de circular 90 ciclos a una densidad de corriente de 0,5 C, no hay una diferencia significativa en la capacidad de los dos sistemas electrolíticos a 20 °C.A medida que baja la temperatura, el electrolito que contiene el aditivo presenta un rendimiento de ciclo superior al del electrolito sin el aditivo.A 0 °C, -20 °C y -40 °C, la capacidad del electrolito que contiene el aditivo después del ciclo puede llegar a 107, 84 y 48 mA/g, significativamente mayor que la capacidad del electrolito sin aditivos después del ciclo a diferentes temperaturas (respectivamente A 94, 40 y 5 mA/g), y la eficiencia culómbica después de 90 ciclos del electrolito que contenía el aditivo se mantuvo en 99,5%.La Figura 4 compara el desempeño de la tasa de los dos sistemas a 20 °C, -20 °C y -40 °C. Una disminución en la temperatura provoca una disminución en la capacidad de la batería, pero después de la adición del aditivo, la tasa el rendimiento de la batería ha mejorado considerablemente.Por ejemplo, a -20 °C, la batería que contiene el aditivo aún puede alcanzar una capacidad de 38 mA/g a una densidad de corriente de 2 C, mientras que la batería sin el aditivo no funciona correctamente a 2 C.

Figura 3. Rendimiento cíclico y eficiencia coulombiana de la batería a diferentes temperaturas: (a, c) aditivos que contienen electrolito;(b, d) electrolito sin aditivos.

Figura 4. Tasa de rendimiento de la batería a diferentes temperaturas: (a, b, c) electrolito con aditivos;(d, e, f) electrolito sin aditivos.

Finalmente, los autores investigaron más a fondo los mecanismos subyacentes mediante la observación SEM y las pruebas EIS, y aclararon las posibles razones de la presencia de aditivos para hacer que la batería muestre un excelente rendimiento electroquímico a bajas temperaturas: 1) la estructura PMMA-IL-TFSI inhibe la solidificación del electrolito y El aumento de la cantidad de iones de litio que se mueven libremente en el sistema hace que el electrolito aumente mucho a bajas temperaturas;2) el aumento de iones de litio que se mueven libremente ralentiza el efecto de polarización durante la carga y la descarga, formando así una película SEI estable;3) la presencia de líquidos iónicos La película SEI se hace más conductora y promueve el paso de iones de litio a través de la película SEI, así como una rápida transferencia de carga.En la Fig. 5 se puede ver que la película SEI formada por el sistema de electrolito que contiene el aditivo es más estable y firme, y no hay daños ni grietas evidentes después del ciclo, y el electrolito y el electrodo reaccionan más.Según el análisis EIS (Figura 6), en contraste, los sistemas de electrolitos que contienen aditivos tienen RSEI y RCT más pequeños, lo que indica menos resistencia de iones de litio a través de la membrana SEI y una migración más rápida de SEI al electrodo.

Figura 5. Foto SEM de la lámina de litio después de finalizar el ciclo a -20 °C (a, c, d, f) y -40 °C (b, e): (a, b, c) contiene aditivos;(d, e, f) no contiene aditivos.

Figura 6. Prueba EIS a diferentes temperaturas.

El artículo fue publicado en la revista de renombre internacional ACS Applied Energy Materials.El trabajo principal fue completado por el Dr. Li Yang, el primer autor del artículo.