Nauji priedai pagerina ličio jonų baterijų veikimą žemoje temperatūroje

1 paveiksle parodytas priedo sintezės procesas.Daugiausia joninė skystoji molekulinė grandinė yra skiepijama į polimetilmetakrilato (PMMA) nanosferą reaguojant, kad susidarytų į šepetį panaši pagrindinė struktūra, o tada struktūra disperguojama etilo acetate (MA).O nauja elektrolitų sistema susidaro mišriame propileno karbonato (PC) tirpiklyje.Kaip parodyta 2a pav., elektrolito laidumas mažėja, kai temperatūra mažėja, o elektrolito, kuriame yra etilo acetato, laidumas yra daug didesnis nei elektrolito, kuriame kaip tirpiklis naudojamas tik propileno karbonatas, nes santykinai žema užšalimo temperatūra ( -96 °C) ir klampumas (0,36 cp) etilacetatas skatina greitą ličio jonų judėjimą žemoje temperatūroje.2b pav. matyti, kad elektrolito klampumas padidės pridėjus suprojektuoto priedo (PMMA-IL-TFSI), tačiau klampumo padidėjimas neturi įtakos elektrolito laidumui.Įdomu tai, kad pridėjus priedą žymiai padidėja elektrolito laidumas.Taip yra dėl: 1) joninis skystis slopina elektrolito kietėjimą esant žemai temperatūrai.Plastifikacijos efektas, kurį sukelia joninio skysčio buvimas, sumažina elektrolitų sistemos stiklėjimo fazės temperatūrą (2c pav.), todėl jonų laidumas yra lengvesnis esant žemai temperatūrai;2) PMMA mikrosferos struktūra, skiepyta joniniu skysčiu, gali būti laikoma „vieno jono laidininku“.Pridėjus priedą, elektrolitų sistemoje labai padidėja laisvai judančių ličio jonų kiekis, todėl padidėja elektrolito laidumas kambario temperatūroje ir žemoje temperatūroje.

1 pav. Sintetinis priedų būdas.

2 pav. a) Elektrolito laidumas kaip temperatūros funkcija.b) elektrolitų sistemos klampumas esant skirtingoms temperatūroms.c) DSC analizė.

Vėliau autoriai palygino dviejų elektrolitų sistemų, kuriose yra priedų ir be priedų, elektrochemines charakteristikas skirtingomis žemos temperatūros sąlygomis.Iš 3 pav. matyti, kad cirkuliavus 90 ciklų esant 0,5 C srovės tankiui, dviejų elektrolitų sistemų talpos 20 °C temperatūroje reikšmingo skirtumo nėra.Kai temperatūra nukrenta, elektrolitas, kuriame yra priedo, pasižymi geresniu ciklu nei elektrolitas be priedo.Esant 0 °C, -20 °C ir -40 °C, elektrolito, kuriame yra priedo, talpa po ciklo gali siekti 107, 84 ir 48 mA/g, o tai yra žymiai didesnė nei elektrolito talpa be priedų po ciklų skirtingomis sąlygomis. temperatūros (atitinkamai 94, 40 ir 5 mA/g), o elektrolito, kuriame yra priedas, kuloninis efektyvumas po 90 ciklų išliko 99,5%.4 paveiksle palyginamas dviejų sistemų greitis esant 20 ° C, -20 ° C ir -40 ° C. Temperatūrai mažėjant sumažėja akumuliatoriaus talpa, tačiau įpylus priedo, greitis baterijos veikimas labai pagerėjo.Pavyzdžiui, esant -20 °C, akumuliatorius, kuriame yra priedo, vis tiek gali pasiekti 38 mA/g talpą, kai srovės tankis yra 2 C, o akumuliatorius be priedo tinkamai neveikia esant 2 C temperatūrai.

3 pav. Akumuliatoriaus ciklinis veikimas ir kuloninis efektyvumas esant skirtingoms temperatūroms: (a, c) elektrolitų turinčių priedų;(b, d) elektrolitas be priedų.

4 pav. Akumuliatoriaus veikimo greitis esant skirtingoms temperatūroms: (a, b, c) elektrolitas su priedais;(d, e, f) elektrolitas be priedų.

Galiausiai, autoriai toliau tyrė pagrindinius mechanizmus, atlikdami SEM stebėjimą ir EIS bandymus, ir išaiškino galimas priežastis, dėl kurių yra priedų, kad akumuliatorius pasižymi puikiomis elektrocheminėmis savybėmis esant žemai temperatūrai: 1) PMMA-IL-TFSI struktūra slopina elektrolitų kietėjimą ir Didinant laisvai judančių ličio jonų kiekį sistemoje, elektrolito kiekis labai padidėja esant žemai temperatūrai;2) laisvai judančių ličio jonų padidėjimas sulėtina poliarizacijos efektą įkrovimo ir iškrovimo metu, todėl susidaro stabili SEI plėvelė;3) joninių skysčių buvimas SEI plėvelė tampa laidesnė ir skatina ličio jonų prasiskverbimą per SEI plėvelę, taip pat greitą krūvio perdavimą.Iš 5 pav. matyti, kad elektrolitų sistemos, kurioje yra priedas, suformuota SEI plėvelė yra stabilesnė ir tvirtesnė, po ciklo nėra akivaizdžių pažeidimų ir įtrūkimų, o elektrolitas ir elektrodas toliau reaguoja.EIS analizė (6 pav.), priešingai, elektrolitų sistemos, kuriose yra priedų, turi mažesnį RSEI ir mažesnį RCT, o tai rodo mažesnį atsparumą ličio jonai per SEI membraną ir greitesnė migracija iš SEI į elektrodą.

5 pav. Ličio lakšto SEM nuotrauka pasibaigus ciklui esant -20 °C (a, c, d, f) ir -40 °C (b, e): (a, b, c) yra priedų;(d, e , f) nėra priedų.

6 pav. EIS bandymas esant skirtingoms temperatūroms.

Straipsnis buvo paskelbtas tarptautiniu mastu žinomame žurnale ACS Applied Energy Materials.Pagrindinį darbą baigė daktaras Li Yangas, pirmasis šio straipsnio autorius.