Jaunas piedevas uzlabo litija jonu akumulatoru darbību zemā temperatūrā

1. attēlā ir parādīts piedevas sintezēšanas process.Galvenokārt jonu šķidrā molekulārā ķēde tiek uzpotēta uz polimetilmetakrilāta (PMMA) nanosfēru, reaģējot, veidojot otu līdzīgu galveno struktūru, un pēc tam struktūra tiek izkliedēta etilacetātā (MA).Un jauktā propilēnkarbonāta (PC) šķīdinātājā tiek veidota jauna elektrolītu sistēma.Kā parādīts 2.a attēlā, elektrolīta vadītspēja samazinās, pazeminoties temperatūrai, un etilacetātu saturošā elektrolīta vadītspēja ir daudz augstāka nekā elektrolītam, kurā kā šķīdinātājs tiek izmantots tikai propilēnkarbonāts, jo Salīdzinoši zemais sasalšanas punkts ( -96 ° C) un etilacetāta viskozitāte (0,36 cp) veicina litija jonu ātru kustību zemā temperatūrā.No 2.b attēla redzams, ka pēc projektētās piedevas (PMMA-IL-TFSI) pievienošanas elektrolīta viskozitāte palielināsies, bet viskozitātes palielināšanās neietekmē elektrolīta vadītspēju.Interesanti, ka piedevas pievienošana ievērojami palielina elektrolīta vadītspēju.Tas ir saistīts ar: 1) jonu šķidrums kavē elektrolīta sacietēšanu zemā temperatūrā.Plastifikācijas efekts, ko izraisa jonu šķidruma klātbūtne, samazina elektrolītu sistēmas stikla fāzes pārejas temperatūru (2.c att.), tāpēc jonu vadīšana ir vieglāka zemas temperatūras apstākļos;2) PMMA mikrosfēras struktūru, kas uzpotēta ar jonu šķidrumu, var uzskatīt par “viena jona vadītāju”.Piedevas pievienošana ievērojami palielina brīvi kustīgo litija jonu daudzumu elektrolītu sistēmā, tādējādi palielinot elektrolīta vadītspēju istabas temperatūrā, kā arī zemā temperatūrā.

1. attēls. Piedevu sintētiskais ceļš.

2. attēls. (a) Elektrolīta vadītspēja kā temperatūras funkcija.b) elektrolīta sistēmas viskozitāte dažādās temperatūrās.c) DSC analīze.

Pēc tam autori salīdzināja divu elektrolītu sistēmu, kas satur piedevas un bez piedevām, elektroķīmisko veiktspēju dažādos zemas temperatūras apstākļos.No 3. att. redzams, ka pēc 90 cikliem cirkulācijas pie strāvas blīvuma 0,5 C nav būtiskas atšķirības abu elektrolītu sistēmu kapacitātē pie 20 °C.Temperatūrai pazeminoties, elektrolītam, kas satur piedevu, ir augstāka cikla veiktspēja nekā elektrolītam bez piedevas.Pie 0 °C, -20 °C un -40 °C piedevu saturošā elektrolīta jauda pēc cikliskuma var sasniegt 107, 84 un 48 mA/g, kas ir ievērojami augstāka nekā elektrolīta kapacitāte bez piedevām pēc cikliskuma dažādos apstākļos. temperatūras (attiecīgi 94, 40 un 5 mA/g), un kuloniskā efektivitāte pēc 90 cikliem elektrolītam, kas satur piedevu, saglabājās 99,5%.4. attēlā ir salīdzināta abu sistēmu ātruma veiktspēja 20 ° C, -20 ° C un -40 ° C temperatūrā. Temperatūras pazemināšanās izraisa akumulatora jaudas samazināšanos, bet pēc piedevas pievienošanas ātrums. akumulatora veiktspēja ir ievērojami uzlabota.Piemēram, pie -20 ° C akumulators, kurā ir piedeva, joprojām var sasniegt jaudu 38 mA/g pie strāvas blīvuma 2 C, savukārt akumulators bez piedevas nedarbojas pareizi 2 C temperatūrā.

3. attēls. Akumulatora cikliskā veiktspēja un kuloniskā efektivitāte dažādās temperatūrās: (a, c) elektrolītu saturošas piedevas;(b, d) elektrolīts bez piedevām.

4. attēls. Akumulatora ātruma veiktspēja dažādās temperatūrās: (a, b, c) elektrolīts ar piedevām;(d, e, f) elektrolīts bez piedevām.

Visbeidzot, autori tālāk pētīja pamatā esošos mehānismus, izmantojot SEM novērošanu un EIS testēšanu, un noskaidroja iespējamos iemeslus piedevu klātbūtnei, lai akumulatoram būtu izcila elektroķīmiskā veiktspēja zemā temperatūrā: 1) PMMA-IL-TFSI struktūra kavē elektrolīta sacietēšanu un Palielinot brīvi kustīgo litija jonu daudzumu sistēmā, elektrolīta līmenis ievērojami palielinās zemā temperatūrā;2) brīvi kustīgo litija jonu palielināšanās palēnina polarizācijas efektu uzlādes un izlādes laikā, tādējādi veidojot stabilu SEI plēvi;3) jonu šķidrumu klātbūtne SEI plēve tiek padarīta vadītspējīgāka un veicina litija jonu pārvietošanos caur SEI plēvi, kā arī ātru lādiņa pārnesi.No 5. att. var redzēt, ka SEI plēve, ko veido piedevu saturošā elektrolīta sistēma, ir stabilāka un stingrāka, un pēc cikla nav acīmredzamu bojājumu un plaisu, un elektrolīts un elektrods tiek tālāk reaģēts.Turpretim, izmantojot EIS analīzi (6. attēls), elektrolītu sistēmām, kas satur piedevas, ir mazāks RSEI un mazāks RCT, kas norāda uz mazāku pretestību. litija joni pāri SEI membrānai un ātrāka migrācija no SEI uz elektrodu.

5. attēls. Litija loksnes SEM fotoattēls pēc cikla beigām pie -20 ° C (a, c, d, f) un -40 ° C (b, e): (a, b, c) satur piedevas;(d, e , f) nesatur piedevas.

6. attēls. EIS tests dažādās temperatūrās.

Raksts publicēts starptautiski pazīstamajā žurnālā ACS Applied Energy Materials.Galveno darbu pabeidza doktors Li Jans, darba pirmais autors.