افزودنی های جدید عملکرد باتری های لیتیوم یونی در دمای پایین را بهبود می بخشد

شکل 1 فرآیند سنتز افزودنی است.به طور عمده، زنجیره مولکولی مایع یونی با واکنش به نانوکره پلی متیل متاکریلات (PMMA) پیوند زده می‌شود تا یک ساختار اصلی برس مانند ایجاد کند و سپس ساختار در اتیل استات (MA) پراکنده می‌شود.و یک سیستم الکترولیت جدید در یک حلال مخلوط پروپیلن کربنات (PC) تشکیل می شود.همانطور که در شکل 2a نشان داده شده است، رسانایی الکترولیت با کاهش دما کاهش می‌یابد و رسانایی الکترولیت حاوی اتیل استات بسیار بالاتر از رسانایی الکترولیت است که فقط کربنات پروپیلن به عنوان حلال استفاده می‌کند، زیرا نقطه انجماد نسبتاً پایین ( 96- درجه سانتیگراد) و ویسکوزیته (0.36 cp) اتیل استات باعث حرکت سریع یون های لیتیوم در دماهای پایین می شود.از شکل 2b می توان دید که ویسکوزیته الکترولیت پس از افزودن افزودنی طراحی شده (PMMA-IL-TFSI) افزایش می یابد، اما افزایش ویسکوزیته بر رسانایی الکترولیت تأثیر نمی گذارد.جالب توجه است که افزودن افزودنی منجر به افزایش قابل توجهی در هدایت الکترولیت می شود.این به این دلیل است: 1) مایع یونی از انجماد الکترولیت در دماهای پایین جلوگیری می کند.اثر پلاستیک سازی ناشی از حضور مایع یونی، دمای انتقال فاز شیشه ای سیستم الکترولیت را کاهش می دهد (شکل 2c)، بنابراین هدایت یون در شرایط دمای پایین آسان تر است.2) ساختار میکروسفر PMMA پیوند شده توسط مایع یونی را می توان به عنوان یک "رسانای تک یونی" در نظر گرفت.افزودن ماده افزودنی مقدار یون های لیتیوم آزادانه در سیستم الکترولیت را به میزان زیادی افزایش می دهد و در نتیجه رسانایی الکترولیت را در دمای اتاق و همچنین در دماهای پایین افزایش می دهد.

شکل 1. مسیر مصنوعی برای مواد افزودنی.

شکل 2. (الف) رسانایی الکترولیت به عنوان تابعی از دما.(ب) ویسکوزیته سیستم الکترولیت در دماهای مختلف.ج) تجزیه و تحلیل DSC.

متعاقباً، نویسندگان عملکرد الکتروشیمیایی دو سیستم الکترولیت حاوی مواد افزودنی و بدون مواد افزودنی را در شرایط دمای پایین مختلف مقایسه کردند.از شکل 3 می توان دریافت که پس از گردش 90 سیکل در چگالی جریان 0.5 درجه سانتیگراد، تفاوت قابل توجهی در ظرفیت دو سیستم الکترولیت در 20 درجه سانتیگراد وجود ندارد.با کاهش دما، الکترولیت حاوی افزودنی عملکرد چرخه‌ای بهتری نسبت به الکترولیت بدون افزودنی از خود نشان می‌دهد.در 0 درجه سانتیگراد، -20 درجه سانتیگراد و -40 درجه سانتیگراد، ظرفیت الکترولیت حاوی افزودنی پس از چرخه می تواند به 107، 84 و 48 میلی آمپر بر گرم برسد، که به طور قابل توجهی بالاتر از ظرفیت الکترولیت بدون مواد افزودنی پس از چرخه در شرایط مختلف است. دماها (به ترتیب در 94، 40 و 5 میلی آمپر بر گرم)، و راندمان کولمبیک پس از 90 چرخه الکترولیت حاوی افزودنی در 99.5٪ باقی ماند.شکل 4 عملکرد سرعت دو سیستم را در دمای 20 درجه سانتیگراد، 20- درجه سانتیگراد و 40- درجه سانتیگراد مقایسه می کند. کاهش دما باعث کاهش ظرفیت باتری می شود، اما پس از افزودن ماده افزودنی، نرخ کاهش می یابد. عملکرد باتری تا حد زیادی بهبود یافته است.به عنوان مثال، در دمای 20- درجه سانتیگراد، باتری حاوی افزودنی همچنان می تواند به ظرفیت 38 میلی آمپر بر گرم در چگالی جریان 2 درجه سانتیگراد برسد، در حالی که باتری بدون افزودنی در دمای 2 درجه سانتیگراد به درستی کار نمی کند.

شکل 3. عملکرد چرخه ای و بازده کولمبی باتری در دماهای مختلف: (الف، ج) مواد افزودنی حاوی الکترولیت.(ب، د) الکترولیت بدون مواد افزودنی.

شکل 4. سرعت عملکرد باتری در دماهای مختلف: (a, b, c) الکترولیت با مواد افزودنی.(d, e, f) الکترولیت بدون مواد افزودنی.

در نهایت، نویسندگان مکانیسم‌های زیربنایی را با مشاهده SEM و آزمایش EIS بررسی کردند و دلایل احتمالی وجود مواد افزودنی را برای نشان دادن عملکرد الکتروشیمیایی عالی باتری در دماهای پایین روشن کردند: 1) ساختار PMMA-IL-TFSI انجماد الکترولیت را مهار می‌کند و افزایش میزان حرکت آزادانه یون های لیتیوم در سیستم باعث می شود که الکترولیت در دماهای پایین بسیار افزایش یابد.2) افزایش حرکت آزادانه یون های لیتیوم باعث کاهش اثر پلاریزاسیون در هنگام شارژ و تخلیه می شود و در نتیجه یک فیلم SEI پایدار تشکیل می دهد.3) وجود مایعات یونی فیلم SEI رسانایی بیشتری دارد و عبور یون های لیتیوم را از طریق فیلم SEI و همچنین انتقال سریع بار را تسهیل می کند.از شکل 5 می توان دریافت که فیلم SEI تشکیل شده توسط سیستم الکترولیت حاوی افزودنی پایدارتر و محکم تر است و پس از چرخه هیچ آسیب و ترک آشکاری وجود ندارد و الکترولیت و الکترود بیشتر واکنش نشان می دهند.با تجزیه و تحلیل EIS (شکل 6)، در مقابل، سیستم های الکترولیت حاوی مواد افزودنی دارای RSEI کوچکتر و RCT کوچکتر هستند، که نشان دهنده مقاومت کمتری است. یون های لیتیوم در سراسر غشاء SEI و مهاجرت سریعتر از SEI به الکترود.

شکل 5. عکس SEM از ورق لیتیوم پس از پایان چرخه در -20 درجه سانتیگراد (a, c, d, f) و -40 درجه سانتیگراد (b, e): (a, b, c) حاوی مواد افزودنی است.(d, e, f) فاقد مواد افزودنی است.

شکل 6. تست EIS در دماهای مختلف.

این مقاله در مجله معتبر بین المللی ACS Applied Energy Materials منتشر شده است.کار اصلی توسط دکتر لی یانگ، نویسنده اول مقاله تکمیل شد.