Nye tilsetningsstoffer forbedrer lavtemperaturytelsen til litiumionbatterier

Figur 1 er en prosess for å syntetisere tilsetningsstoffet.Hovedsakelig blir den ioniske flytende molekylkjeden podet på nanosfæren av polymetylmetakrylat (PMMA) ved reaksjon for å danne en børstelignende hovedstruktur, og deretter blir strukturen dispergert i etylacetat (MA).Og et nytt elektrolyttsystem dannes i et blandet løsningsmiddel av propylenkarbonat (PC).Som vist i fig. 2a avtar elektrolyttens ledningsevne når temperaturen synker, og ledningsevnen til elektrolytten som inneholder etylacetat er mye høyere enn elektrolyttens ledningsevne ved bruk av kun propylenkarbonat som løsningsmiddel, fordi det relativt lave frysepunktet ( -96 ° C) og viskositet (0,36 cp) av etylacetat fremmer rask bevegelse av litiumioner ved lave temperaturer.Det kan sees fra fig. 2b at viskositeten til elektrolytten vil øke etter tilsetning av det utformede additivet (PMMA-IL-TFSI), men økningen i viskositeten påvirker ikke elektrolyttens ledningsevne.Interessant nok resulterer tilsetningen av additivet i en betydelig økning i elektrolyttens ledningsevne.Dette skyldes: 1) Den ioniske væsken hemmer størkningen av elektrolytten ved lave temperaturer.Plastiseringseffekten forårsaket av tilstedeværelsen av ionisk væske reduserer glassfaseovergangstemperaturen til elektrolyttsystemet (fig. 2c), slik at ioneledning er lettere under lave temperaturforhold;2) PMMA mikrosfærestruktur podet med ionisk væske kan betraktes som en "enkelt-ion leder".Tilsetningen av tilsetningsstoffet øker i stor grad mengden av fritt bevegelige litiumioner i elektrolyttsystemet, og øker derved elektrolyttens ledningsevne ved romtemperatur så vel som ved lave temperaturer.

Figur 1. Syntetisk rute for tilsetningsstoffer.

Figur 2. (a) Elektrolyttens ledningsevne som funksjon av temperatur.(b) Viskositeten til elektrolyttsystemet ved forskjellige temperaturer.(c) DSC-analyse.

Deretter sammenlignet forfatterne den elektrokjemiske ytelsen til to elektrolyttsystemer som inneholder tilsetningsstoffer og ingen tilsetningsstoffer ved forskjellige lave temperaturforhold.Det kan sees fra fig. 3 at etter å ha sirkulert 90 sykluser ved en strømtetthet på 0,5 C, er det ingen signifikant forskjell i kapasiteten til de to elektrolyttsystemene ved 20 °C.Når temperaturen senkes, viser elektrolytten som inneholder tilsetningsstoffet overlegen syklusytelse enn elektrolytten uten tilsetningsstoffet.Ved 0 °C, -20 °C og -40 °C kan kapasiteten til elektrolytten som inneholder tilsetningsstoffet etter sykling nå 107, 84 og 48 mA/g, betydelig høyere enn kapasiteten til elektrolytten uten tilsetningsstoffer etter sykling ved forskjellige temperaturer (henholdsvis ved 94, 40 og 5 mA/g), og den coulombiske effektiviteten etter 90 sykluser av elektrolytten som inneholdt tilsetningsstoffet holdt seg på 99,5 %.Figur 4 sammenligner hastighetsytelsen til de to systemene ved 20 ° C, -20 ° C og -40 ° C. En reduksjon i temperaturen forårsaker en reduksjon i kapasiteten til batteriet, men etter tilsetning av additivet vil hastigheten ytelsen til batteriet er betydelig forbedret.For eksempel, ved -20 ° C, kan batteriet som inneholder tilsetningen fortsatt nå en kapasitet på 38 mA/g ved en strømtetthet på 2 C, mens batteriet uten tilsetningsstoffet ikke fungerer som det skal ved 2 C.

Figur 3. Syklisk ytelse og coulombisk effektivitet av batteriet ved forskjellige temperaturer: (a, c) elektrolytt som inneholder tilsetningsstoffer;(b, d) elektrolytt uten tilsetningsstoffer.

Figur 4. Vurder ytelsen til batteriet ved forskjellige temperaturer: (a, b, c) elektrolytt med tilsetningsstoffer;(d, e, f) elektrolytt uten tilsetningsstoffer.

Til slutt undersøkte forfatterne de underliggende mekanismene videre ved SEM-observasjon og EIS-testing, og klargjorde mulige årsaker til tilstedeværelsen av tilsetningsstoffer for å få batteriet til å vise utmerket elektrokjemisk ytelse ved lave temperaturer: 1) PMMA-IL-TFSI-struktur hemmer elektrolyttstørkning og Å øke mengden av fritt bevegelige litiumioner i systemet gjør at elektrolytten øker kraftig ved lave temperaturer;2) økningen av fritt bevegelige litiumioner bremser polarisasjonseffekten under ladning og utladning, og danner derved en stabil SEI-film;3) tilstedeværelsen av ioniske væsker SEI-filmen gjøres mer ledende og fremmer passasje av litiumioner gjennom SEI-filmen, samt rask ladningsoverføring.Det kan sees fra fig. 5 at SEI-filmen dannet av elektrolyttsystemet som inneholder tilsetningsstoffet er mer stabil og fast, og det er ingen åpenbar skade og sprekker etter syklusen, og elektrolytten og elektroden blir ytterligere reagert.Ved EIS-analyse (Figur 6), derimot, har elektrolyttsystemer som inneholder tilsetningsstoffer mindre RSEI og mindre RCT, noe som indikerer mindre motstand av litiumioner over SEI-membranen og raskere migrasjon fra SEI til elektroden.

Figur 5. SEM-foto av litiumarket etter slutten av syklusen ved -20 ° C (a, c, d, f) og -40 ° C (b, e): (a, b, c) inneholder tilsetningsstoffer;(d, e, f) inneholder ingen tilsetningsstoffer.

Figur 6. EIS-test ved forskjellige temperaturer.

Artikkelen ble publisert i det internasjonalt anerkjente tidsskriftet ACS Applied Energy Materials.Hovedarbeidet ble fullført av Dr. Li Yang, den første forfatteren av artikkelen.