Nové prísady zlepšujú výkon lítium-iónových batérií pri nízkych teplotách

Obrázok 1 je proces syntézy aditíva.Hlavne, iónový kvapalný molekulárny reťazec je naočkovaný na polymetylmetakrylátovú (PMMA) nanosféru reakciou za vzniku hlavnej štruktúry podobnej kefke a potom je štruktúra dispergovaná v etylacetáte (MA).A nový elektrolytický systém sa vytvorí v zmiešanom rozpúšťadle propylénkarbonátu (PC).Ako je znázornené na obr. 2a, vodivosť elektrolytu klesá so znižujúcou sa teplotou a vodivosť elektrolytu obsahujúceho etylacetát je oveľa vyššia ako vodivosť elektrolytu, pri ktorom sa ako rozpúšťadlo používa iba propylénkarbonát, pretože relatívne nízky bod tuhnutia ( -96 ° C) a viskozita (0,36 cp) etylacetátu podporujú rýchly pohyb lítiových iónov pri nízkych teplotách.Z obr. 2b je zrejmé, že viskozita elektrolytu sa po pridaní navrhnutého aditíva (PMMA-IL-TFSI) zvýši, avšak zvýšenie viskozity neovplyvňuje vodivosť elektrolytu.Je zaujímavé, že pridanie aditíva má za následok podstatné zvýšenie vodivosti elektrolytu.Je to spôsobené: 1) Iónová kvapalina inhibuje tuhnutie elektrolytu pri nízkych teplotách.Plastifikačný efekt spôsobený prítomnosťou iónovej kvapaliny znižuje teplotu skleného fázového prechodu elektrolytického systému (obr. 2c), takže vedenie iónov je jednoduchšie v podmienkach nízkej teploty;2) Štruktúru mikroguľôčok PMMA navrúbľovanú iónovou kvapalinou možno považovať za „jednoiónový vodič“.Pridanie aditíva značne zvyšuje množstvo voľne sa pohybujúcich lítiových iónov v elektrolytickom systéme, čím sa zvyšuje vodivosť elektrolytu pri izbovej teplote, ako aj pri nízkych teplotách.

Obrázok 1. Spôsob syntézy aditív.

Obrázok 2. (a) Vodivosť elektrolytu ako funkcia teploty.(b) Viskozita elektrolytického systému pri rôznych teplotách.(c) DSC analýza.

Následne autori porovnávali elektrochemický výkon dvoch elektrolytických systémov obsahujúcich aditíva a žiadne aditíva pri rôznych nízkoteplotných podmienkach.Z obr. 3 je vidieť, že po cirkulácii 90 cyklov pri prúdovej hustote 0,5 C nie je významný rozdiel v kapacite dvoch elektrolytických systémov pri 20 °C.Keď sa teplota zníži, elektrolyt obsahujúci prísadu vykazuje lepší cyklus cyklu ako elektrolyt bez prísady.Pri 0 °C, -20 °C a -40 °C môže kapacita elektrolytu obsahujúceho aditívum po cyklovaní dosiahnuť 107, 84 a 48 mA / g, čo je výrazne viac ako kapacita elektrolytu bez prísad po cyklovaní pri rôznych teploty (v tomto poradí pri 94, 40 a 5 mA/g) a coulombická účinnosť po 90 cykloch elektrolytu obsahujúceho prísadu zostala na 99,5 %.Obrázok 4 porovnáva rýchlosť výkonu oboch systémov pri 20 ° C, -20 ° C a -40 ° C. Pokles teploty spôsobuje zníženie kapacity batérie, ale po pridaní aditíva sa rýchlosť výkon batérie sa výrazne zlepšil.Napríklad pri -20 °C môže batéria obsahujúca aditívum stále dosahovať kapacitu 38 mA/g pri prúdovej hustote 2 °C, zatiaľ čo batéria bez aditíva nepracuje správne pri 2 °C.

Obrázok 3. Cyklický výkon a coulombická účinnosť batérie pri rôznych teplotách: (a, c) prísady obsahujúce elektrolyt;b, d) elektrolyt bez prísad.

Obrázok 4. Hodnoty výkonu batérie pri rôznych teplotách: (a, b, c) elektrolyt s prísadami;(d, e, f) elektrolyt bez prísad.

Nakoniec autori ďalej skúmali základné mechanizmy pozorovaním SEM a testovaním EIS a objasnili možné dôvody prítomnosti aditív, aby batéria vykazovala vynikajúci elektrochemický výkon pri nízkych teplotách: 1) Štruktúra PMMA-IL-TFSI inhibuje tuhnutie elektrolytu a Zvýšenie množstva voľne sa pohybujúcich lítiových iónov v systéme výrazne zvyšuje elektrolyt pri nízkych teplotách;2) zvýšenie voľne sa pohybujúcich lítiových iónov spomaľuje polarizačný efekt počas nabíjania a vybíjania, čím sa vytvára stabilný film SEI;3) Prítomnosť iónových kvapalín Film SEI je vodivý a podporuje prechod lítiových iónov cez film SEI, ako aj rýchly prenos náboja.Z obr. 5 je vidieť, že SEI film tvorený elektrolytickým systémom obsahujúcim aditívum je stabilnejší a pevnejší a po cykle nedochádza k zjavným poškodeniam a prasklinám a elektrolyt a elektróda ďalej reagujú.Podľa analýzy EIS (obrázok 6) majú elektrolytové systémy obsahujúce prísady menšie RSEI a menšie RCT, čo naznačuje menší odpor lítiové ióny cez SEI membránu a rýchlejšiu migráciu zo SEI na elektródu.

Obrázok 5. SEM fotografia lítiovej fólie po skončení cyklu pri -20 °C (a, c, d, f) a -40 °C (b, e): (a, b, c) obsahuje prísady;(d, e, f) neobsahuje žiadne prísady.

Obrázok 6. Test EIS pri rôznych teplotách.

Článok bol publikovaný v medzinárodne uznávanom časopise ACS Applied Energy Materials.Hlavnú prácu dokončil Dr. Li Yang, prvý autor článku.