Uudet lisäaineet parantavat litiumioniakkujen suorituskykyä alhaisissa lämpötiloissa

Kuvio 1 on lisäaineen syntetisointiprosessi.Pääasiassa ioninen nestemäinen molekyyliketju oksastetaan polymetyylimetakrylaatin (PMMA) nanopalloon reaktiolla harjamaisen päärakenteen muodostamiseksi, ja sitten rakenne dispergoidaan etyyliasetaattiin (MA).Ja uusi elektrolyyttijärjestelmä muodostetaan propeenikarbonaatin (PC) liuottimeen.Kuten kuvasta 2a näkyy, elektrolyytin johtavuus laskee lämpötilan laskiessa, ja etyyliasetaattia sisältävän elektrolyytin johtavuus on paljon korkeampi kuin elektrolyytin, jossa käytetään vain propeenikarbonaattia liuottimena, koska Suhteellisen alhainen jäätymispiste ( -96 °C) ja etyyliasetaatin viskositeetti (0,36 cp) edistävät litiumionien nopeaa liikkumista matalissa lämpötiloissa.Kuvasta 2b voidaan nähdä, että elektrolyytin viskositeetti kasvaa suunnitellun lisäaineen (PMMA-IL-TFSI) lisäämisen jälkeen, mutta viskositeetin nousu ei vaikuta elektrolyytin johtavuuteen.Mielenkiintoista on, että lisäaineen lisääminen johtaa olennaiseen elektrolyytin johtavuuden kasvuun.Tämä johtuu seuraavista syistä: 1) Ioninen neste estää elektrolyytin jähmettymistä alhaisissa lämpötiloissa.Ionisen nesteen läsnäolon aiheuttama plastisointivaikutus alentaa elektrolyyttijärjestelmän lasifaasisiirtymälämpötilaa (kuva 2c), joten ionien johtaminen on helpompaa matalan lämpötilan olosuhteissa;2) Ionisella nesteellä oksastettua PMMA-mikropallorakennetta voidaan pitää "yksi-ionisena johtimena".Lisäaineen lisääminen lisää suuresti vapaasti liikkuvien litiumionien määrää elektrolyyttijärjestelmässä, mikä lisää elektrolyytin johtavuutta huoneenlämpötilassa sekä alhaisissa lämpötiloissa.

Kuva 1. Lisäaineiden synteettinen reitti.

Kuva 2. (a) Elektrolyytin johtavuus lämpötilan funktiona.(b) Elektrolyyttijärjestelmän viskositeetti eri lämpötiloissa.(c) DSC-analyysi.

Myöhemmin kirjoittajat vertasivat kahden elektrolyyttijärjestelmän sähkökemiallista suorituskykyä, jotka sisälsivät lisäaineita ja ilman lisäaineita erilaisissa matalissa lämpötiloissa.Kuvasta 3 voidaan nähdä, että kun on kierrätetty 90 sykliä virrantiheydellä 0,5 C, kahden elektrolyyttijärjestelmän kapasiteetissa ei ole merkittävää eroa 20 °C:ssa.Kun lämpötilaa lasketaan, lisäainetta sisältävä elektrolyytti osoittaa ylivoimaista syklin suorituskykyä kuin elektrolyytti ilman lisäainetta.0 °C:ssa, -20 °C:ssa ja -40 °C:ssa lisäainetta sisältävän elektrolyytin kapasiteetti voi nousta kierroksen jälkeen arvoon 107, 84 ja 48 mA/g, mikä on huomattavasti korkeampi kuin lisäainetta sisältämättömän elektrolyytin kapasiteetti pyöräilyn jälkeen eri tehoilla. lämpötiloissa (vastaavasti 94, 40 ja 5 mA/g), ja lisäainetta sisältävän elektrolyytin kulloinen hyötysuhde pysyi 99,5 %:ssa.Kuvassa 4 verrataan kahden järjestelmän tehokkuutta lämpötiloissa 20 °C, -20 °C ja -40 °C. Lämpötilan lasku aiheuttaa akun kapasiteetin laskun, mutta lisäaineen lisäämisen jälkeen nopeus pienenee. akun suorituskyky paranee huomattavasti.Esimerkiksi -20 °C:ssa lisäainetta sisältävä akku voi silti saavuttaa 38 mA/g kapasiteetin 2 C:n virrantiheydellä, kun taas akku ilman lisäainetta ei toimi kunnolla 2 C:ssa.

Kuva 3. Akun syklinen suorituskyky ja coulombinen hyötysuhde eri lämpötiloissa: (a, c) elektrolyyttiä sisältävät lisäaineet;(b, d) elektrolyytti ilman lisäaineita.

Kuva 4. Akun tehokkuus eri lämpötiloissa: (a, b, c) elektrolyytti lisäaineineen;(d, e, f) elektrolyytti ilman lisäaineita.

Lopuksi kirjoittajat tutkivat taustalla olevia mekanismeja SEM-havainnolla ja EIS-testauksella ja selvensivät mahdollisia syitä lisäaineiden läsnäololle, jotta akulla olisi erinomainen sähkökemiallinen suorituskyky alhaisissa lämpötiloissa: 1) PMMA-IL-TFSI-rakenne estää elektrolyytin jähmettymistä ja Vapaasti liikkuvien litiumionien määrän lisääminen järjestelmässä saa elektrolyytin lisääntymään huomattavasti matalissa lämpötiloissa;2) vapaasti liikkuvien litiumionien lisääntyminen hidastaa polarisaatiovaikutusta varauksen ja purkauksen aikana, jolloin muodostuu vakaa SEI-kalvo;3) ionisten nesteiden läsnäolo SEI-kalvosta on tehty johtavampi ja se edistää litiumionien kulkua SEI-kalvon läpi sekä nopeaa varauksen siirtoa.Kuvasta 5 voidaan nähdä, että lisäainetta sisältävän elektrolyyttijärjestelmän muodostama SEI-kalvo on vakaampi ja kiinteämpi, eikä siinä ole ilmeisiä vaurioita ja halkeamia syklin jälkeen, ja elektrolyytti ja elektrodi reagoivat edelleen.EIS-analyysin mukaan (kuva 6) sitä vastoin lisäaineita sisältävillä elektrolyyttijärjestelmillä on pienempi RSEI ja pienempi RCT, mikä osoittaa vähemmän vastusta. litium-ionit SEI-kalvon läpi ja nopeampi siirtyminen SEI:stä elektrodille.

Kuva 5. SEM-valokuva litiumlevystä syklin päätyttyä -20 °C:ssa (a, c, d, f) ja -40 °C:ssa (b, e): (a, b, c) sisältää lisäaineita;(d, e, f) ei sisällä lisäaineita.

Kuva 6. EIS-testi eri lämpötiloissa.

Artikkeli julkaistiin kansainvälisesti tunnetussa ACS Applied Energy Materials -lehdessä.Päätyön viimeisteli tohtori Li Yang, paperin ensimmäinen kirjoittaja.