Az új adalékok javítják a lítium-ion akkumulátorok alacsony hőmérsékletű teljesítményét

Az 1. ábra az adalékanyag szintézisének folyamata.Főleg az ionos folyékony molekulaláncot a polimetil-metakrilát (PMMA) nanogömbre ojtják reakció útján, hogy ecsetszerű főszerkezetet alakítsanak ki, majd a szerkezetet etil-acetátban (MA) diszpergálják.Propilén-karbonát (PC) oldószerkeverékben pedig új elektrolitrendszer jön létre.A 2a. ábrán látható, hogy a hőmérséklet csökkenésével az elektrolit vezetőképessége csökken, az etil-acetátot tartalmazó elektrolit vezetőképessége pedig sokkal nagyobb, mint a csak propilén-karbonátot oldószerként használó elektrolité, mert A viszonylag alacsony fagyáspont ( -96 °C) és viszkozitása (0,36 cp) az etil-acetát elősegíti a lítium-ionok gyors mozgását alacsony hőmérsékleten.A 2b. ábrán látható, hogy a tervezett adalék (PMMA-IL-TFSI) hozzáadása után az elektrolit viszkozitása megnő, de a viszkozitás növekedése nem befolyásolja az elektrolit vezetőképességét.Érdekes módon az adalékanyag hozzáadása jelentősen megnöveli az elektrolit vezetőképességét.Ennek okai: 1) Az ionos folyadék alacsony hőmérsékleten gátolja az elektrolit megszilárdulását.Az ionos folyadék jelenléte okozta képlékenyítő hatás csökkenti az elektrolitrendszer üvegfázis-átmeneti hőmérsékletét (2c. ábra), így alacsony hőmérsékleti körülmények között könnyebb az ionvezetés;2) Az ionos folyadékkal oltott PMMA mikrogömb szerkezet „egyionos vezetőnek” tekinthető.Az adalékanyag hozzáadása nagymértékben megnöveli a szabadon mozgó lítium-ionok mennyiségét az elektrolitrendszerben, ezáltal növeli az elektrolit vezetőképességét szobahőmérsékleten és alacsony hőmérsékleten is.

1. ábra Adalékanyagok szintetikus útja.

2. ábra (a) Az elektrolit vezetőképessége a hőmérséklet függvényében.(b) Az elektrolitrendszer viszkozitása különböző hőmérsékleteken.(c) DSC-elemzés.

Ezt követően a szerzők összehasonlították két adalékanyagot és adalékanyagot nem tartalmazó elektrolitrendszer elektrokémiai teljesítményét különböző alacsony hőmérsékleti körülmények között.A 3. ábrán látható, hogy 90 ciklus 0,5 C áramsűrűség melletti keringtetése után 20 °C-on nincs jelentős különbség a két elektrolit rendszer kapacitásában.Ahogy a hőmérséklet csökken, az adalékanyagot tartalmazó elektrolit jobb ciklusteljesítményt mutat, mint az adalék nélküli elektrolit.0 °C, -20 °C és -40 °C hőmérsékleten az adalékanyagot tartalmazó elektrolit kapacitása ciklus után elérheti a 107, 84 és 48 mA/g értéket, ami lényegesen magasabb, mint az adalékanyag nélküli elektrolit kapacitása különböző ciklusokon végzett ciklusok után. hőmérsékleten (94, 40 és 5 mA/g), és az adalékanyagot tartalmazó elektrolit coulombos hatásfoka 90 ciklus után 99,5% maradt.A 4. ábra a két rendszer sebességi teljesítményét hasonlítja össze 20 ° C, -20 ° C és -40 ° C hőmérsékleten. A hőmérséklet csökkenése az akkumulátor kapacitásának csökkenését okozza, de az adalék hozzáadása után a sebesség az akkumulátor teljesítménye jelentősen javult.Például -20 °C-on az adalékot tartalmazó akkumulátor 2 C áramsűrűség mellett még elérheti a 38 mA/g kapacitást, míg az adalék nélküli akkumulátor 2 C-on nem működik megfelelően.

3. ábra Az akkumulátor ciklikus teljesítménye és coulombikus hatásfoka különböző hőmérsékleteken: (a, c) elektrolit tartalmú adalékok;(b, d) adalékanyagok nélküli elektrolit.

4. ábra Az akkumulátor sebességi teljesítménye különböző hőmérsékleteken: (a, b, c) elektrolit adalékokkal;(d, e, f) elektrolit adalékok nélkül.

Végül a szerzők SEM megfigyeléssel és EIS vizsgálattal tovább vizsgálták a mögöttes mechanizmusokat, és tisztázták az adalékanyagok jelenlétének lehetséges okait annak érdekében, hogy az akkumulátor kiváló elektrokémiai teljesítményt mutasson alacsony hőmérsékleten: 1) A PMMA-IL-TFSI szerkezet gátolja az elektrolit megszilárdulását és A rendszerben a szabadon mozgó lítium-ionok mennyiségének növelése alacsony hőmérsékleten nagymértékben megnöveli az elektrolit mennyiségét;2) a szabadon mozgó lítium-ionok növekedése lelassítja a polarizációs hatást a töltés és a kisütés során, ezáltal stabil SEI filmet képez;3) ionos folyadékok jelenléte A SEI film vezetőképesbbé válik, és elősegíti a lítium-ionok áthaladását a SEI filmen, valamint a gyors töltésátvitelt.Az 5. ábrán látható, hogy az adalékanyagot tartalmazó elektrolitrendszer által kialakított SEI film stabilabb és szilárdabb, és a ciklus után nincs nyilvánvaló sérülés, repedés, az elektrolit és az elektróda tovább reagál.Ezzel szemben az EIS analízissel (6. ábra) az adalékanyagokat tartalmazó elektrolitrendszerek kisebb RSEI-vel és kisebb RCT-vel rendelkeznek, ami kisebb ellenállást jelez lítium-ionok a SEI membránon keresztül, és gyorsabb migráció a SEI-ről az elektródára.

5. ábra: SEM fotó a lítiumlemezről a ciklus befejezése után -20 °C-on (a, c, d, f) és -40 °C-on (b, e): (a, b, c) adalékokat tartalmaz;(d, e , f) nem tartalmaz adalékanyagokat.

6. ábra EIS teszt különböző hőmérsékleteken.

A cikk az ACS Applied Energy Materials nemzetközi hírű folyóiratban jelent meg.A fő munkát Dr. Li Yang, a dolgozat első szerzője fejezte be.