Нові добавки покращують низькотемпературні характеристики літій-іонних акумуляторів

На малюнку 1 представлений процес синтезу добавки.В основному молекулярний ланцюг іонної рідини прищеплюється до наносфери поліметилметакрилату (ПММА) шляхом реакції з утворенням основної структури, схожої на щітку, а потім структуру диспергують в етилацетаті (МА).А нова електролітна система утворюється в змішаному розчиннику пропіленкарбонату (ПК).Як показано на рис. 2а, провідність електроліту зменшується зі зниженням температури, і провідність електроліту, що містить етилацетат, набагато вища, ніж у електроліту, в якому в якості розчинника використовується лише пропіленкарбонат, оскільки відносно низька температура замерзання ( -96 ° С) і в'язкість (0,36 сП) етилацетату сприяють швидкому руху іонів літію при низьких температурах.З рис. 2b видно, що в’язкість електроліту збільшиться після додавання розробленої добавки (PMMA-IL-TFSI), але збільшення в’язкості не впливає на провідність електроліту.Цікаво, що додавання добавки призводить до значного збільшення провідності електроліту.Це пов’язано з: 1) Іонна рідина перешкоджає затвердінню електроліту при низьких температурах.Ефект пластифікації, викликаний присутністю іонної рідини, знижує температуру склування електролітної системи (рис. 2c), тому іонна провідність легша за умов низької температури;2) Мікросферну структуру ПММА, прищеплену іонною рідиною, можна розглядати як «одноіонний провідник».Додавання присадки значно збільшує кількість вільно рухомих іонів літію в системі електроліту, тим самим збільшуючи провідність електроліту при кімнатній температурі, а також при низьких температурах.

Малюнок 1. Синтетичний шлях для добавок.

Рисунок 2. (а) Провідність електроліту як функція температури.(b) В’язкість електролітної системи при різних температурах.(c) DSC аналіз.

Згодом автори порівняли електрохімічні характеристики двох електролітних систем, що містять добавки та без добавок, за різних умов низької температури.З рис. 3 видно, що після 90 циклів циркуляції при густині струму 0,5 C немає істотної різниці в ємності двох електролітних систем при 20 °C.Коли температура знижується, електроліт, що містить добавку, демонструє кращу продуктивність циклу, ніж електроліт без добавки.При 0 °C, -20 °C і -40 °C ємність електроліту з добавкою після циклювання може досягати 107, 84 і 48 мА/г, що значно перевищує ємність електроліту без добавок після циклювання при різних температурах (відповідно При 94, 40 і 5 мА/г), а кулонівська ефективність після 90 циклів електроліту, що містить присадку, залишилася на рівні 99,5%.На малюнку 4 порівнюються швидкісні характеристики двох систем при 20 °C, -20 °C і -40 °C. Зниження температури призводить до зменшення ємності батареї, але після додавання добавки швидкість продуктивність акумулятора значно покращена.Наприклад, при -20 °C батарея, що містить добавку, все ще може досягати ємності 38 мА/г при щільності струму 2 C, тоді як батарея без добавки не працює належним чином при 2 C.

Рисунок 3. Циклічна продуктивність і кулонівська ефективність батареї при різних температурах: (а, в) електроліт, що містить добавки;(б, г) електроліт без добавок.

Рисунок 4. Показники АКБ при різних температурах: (а, б, в) електроліт з добавками;(г, д, е) електроліт без добавок.

Нарешті, автори додатково дослідили механізми, що лежать в основі, за допомогою SEM-спостережень і EIS-тестів і з’ясували можливі причини присутності добавок, які забезпечують чудові електрохімічні характеристики батареї при низьких температурах: 1) структура PMMA-IL-TFSI перешкоджає затвердінню електроліту і Збільшення кількості вільно рухомих іонів літію в системі змушує електроліт значно зростати при низьких температурах;2) збільшення вільно рухомих іонів літію уповільнює ефект поляризації під час заряду та розряду, тим самим утворюючи стабільну плівку SEI;3) наявність іонних рідин Плівка SEI робиться більш провідною та сприяє проходженню іонів літію через плівку SEI, а також швидкому перенесенню заряду.З рис. 5 видно, що плівка SEI, утворена системою електролітів, що містить добавку, є більш стабільною та міцною, і немає явних пошкоджень та тріщин після циклу, а електроліт та електрод реагують далі.Згідно з аналізом EIS (рис. 6), навпаки, системи електролітів, що містять добавки, мають менший RSEI та менший RCT, що вказує на менший опір іони літію через мембрану SEI та швидшу міграцію від SEI до електроду.

Рисунок 5. SEM фото літієвого листа після закінчення циклу при -20 °C (a, c, d, f) і -40 °C (b, e): (a, b, c) містить добавки;(d, e, f) не містить добавок.

Рисунок 6. Тест EIS при різних температурах.

Стаття була опублікована у всесвітньо відомому журналі ACS Applied Energy Materials.Основну роботу завершив доктор Лі Ян, перший автор статті.