Noii aditivi îmbunătățesc performanța la temperaturi scăzute a bateriilor litiu-ion

Figura 1 este un proces de sinteză a aditivului.În principal, lanțul molecular lichid ionic este grefat pe nanosferă de polimetil metacrilat (PMMA) prin reacție pentru a forma o structură principală ca o perie, iar apoi structura este dispersată în acetat de etil (MA).Și se formează un nou sistem de electroliți într-un solvent mixt de carbonat de propilenă (PC).După cum se arată în Fig. 2a, conductivitatea electrolitului scade pe măsură ce temperatura scade, iar conductivitatea electrolitului care conține acetat de etil este mult mai mare decât cea a electrolitului folosind doar carbonat de propilen ca solvent, deoarece punctul de îngheț relativ scăzut ( -96 ° C) și vâscozitatea (0,36 cp) acetatului de etil promovează mișcarea rapidă a ionilor de litiu la temperaturi scăzute.Se poate observa din Fig. 2b că vâscozitatea electrolitului va crește după adăugarea aditivului proiectat (PMMA-IL-TFSI), dar creșterea vâscozității nu afectează conductivitatea electrolitului.În mod interesant, adăugarea de aditiv are ca rezultat o creștere substanțială a conductibilității electrolitului.Acest lucru se datorează: 1) Lichidul ionic inhibă solidificarea electrolitului la temperaturi scăzute.Efectul de plastificare cauzat de prezența lichidului ionic reduce temperatura de tranziție de fază sticloasă a sistemului electrolitic (Fig. 2c), astfel încât conducția ionică este mai ușoară în condiții de temperatură scăzută;2) Structura microsferei PMMA grefată cu lichid ionic poate fi privită ca fiind un „conductor cu un singur ion”.Adăugarea de aditiv crește foarte mult cantitatea de ioni de litiu care se mișcă liber în sistemul electrolit, crescând astfel conductivitatea electrolitului la temperatura camerei, precum și la temperaturi scăzute.

Figura 1. Calea sintetică pentru aditivi.

Figura 2. (a) Conductivitatea electrolitului în funcție de temperatură.(b) Vâscozitatea sistemului electrolitic la diferite temperaturi.(c) Analiza DSC.

Ulterior, autorii au comparat performanța electrochimică a două sisteme electrolitice care conțin aditivi și fără aditivi în diferite condiții de temperatură scăzută.Se poate observa din Fig. 3 că, după circularea a 90 de cicluri la o densitate de curent de 0,5 C, nu există nicio diferență semnificativă în capacitatea celor două sisteme de electroliți la 20 °C.Pe măsură ce temperatura scade, electrolitul care conține aditiv prezintă performanțe de ciclu superioare decât electrolitul fără aditiv.La 0 °C, -20 °C și -40 °C, capacitatea electrolitului care conține aditiv după ciclul poate ajunge la 107, 84 și 48 mA / g, semnificativ mai mare decât capacitatea electrolitului fără aditivi după ciclul la diferite temperaturile (respectiv La 94, 40 și 5 mA/g), iar eficiența coulombică după 90 de cicluri a electrolitului care conține aditiv a rămas la 99,5%.Figura 4 compară performanța ratei celor două sisteme la 20 ° C, -20 ° C și -40 ° C. O scădere a temperaturii determină o scădere a capacității bateriei, dar după adăugarea aditivului, rata performanța bateriei este mult îmbunătățită.De exemplu, la -20 ° C, bateria care conține aditiv poate atinge în continuare o capacitate de 38 mA/g la o densitate de curent de 2 C, în timp ce bateria fără aditiv nu funcționează corect la 2 C.

Figura 3. Performanța ciclică și eficiența culombică a bateriei la diferite temperaturi: (a, c) aditivi care conțin electrolit;(b, d) electrolit fără aditivi.

Figura 4. Evaluarea performanței bateriei la diferite temperaturi: (a, b, c) electrolit cu aditivi;(d, e, f) electrolit fără aditivi.

În cele din urmă, autorii au investigat în continuare mecanismele subiacente prin observarea SEM și testarea EIS și au clarificat posibilele motive pentru prezența aditivilor pentru a face bateria să prezinte performanțe electrochimice excelente la temperaturi scăzute: 1) Structura PMMA-IL-TFSI inhibă solidificarea electroliților și Creșterea cantității de ioni de litiu care se mișcă liber în sistem face ca electrolitul să crească foarte mult la temperaturi scăzute;2) creșterea ionilor de litiu care se mișcă liber încetinește efectul de polarizare în timpul încărcării și descărcării, formând astfel un film SEI stabil;3) prezența lichidelor ionice Filmul SEI este mai conductiv și favorizează trecerea ionilor de litiu prin filmul SEI, precum și transferul rapid de sarcină.Se poate observa din Fig. 5 că pelicula SEI formată de sistemul electrolitic care conține aditiv este mai stabilă și mai fermă și nu există daune și fisuri evidente după ciclu, iar electrolitul și electrodul reacţionează în continuare.Prin analiza EIS (Figura 6), în contrast, sistemele electrolitice care conțin aditivi au RSEI mai mici și RCT mai mici, indicând o rezistență mai mică a ioni de litiu peste membrana SEI și o migrare mai rapidă de la SEI la electrod.

Figura 5. Fotografia SEM a foii de litiu după sfârșitul ciclului la -20 ° C (a, c, d, f) și -40 ° C (b, e): (a, b, c) conține aditivi;(d, e, f) nu conține aditivi.

Figura 6. Testul EIS la diferite temperaturi.

Articolul a fost publicat în jurnalul de renume internațional ACS Applied Energy Materials.Lucrarea principală a fost finalizată de Dr. Li Yang, primul autor al lucrării.