home / blog / ESM: Interfaċċja ultra-konformi inkorporata ta 'elettrolit perfluworinat għal batteriji tal-litju prattiċi ta' enerġija għolja

ESM: Interfaċċja ultra-konformi inkorporata ta 'elettrolit perfluworinat għal batteriji tal-litju prattiċi ta' enerġija għolja

19 Ottubru, 2021

By hoppt

Sfond ta 'Riċerka

F'batteriji tal-jone tal-litju, biex jintlaħaq l-għan ta '350 Wh Kg-1, il-materjal tal-katodu juża ossidu b'saffi b'ħafna nikil (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, imsejjaħ NMCxyz). Biż-żieda tad-densità tal-enerġija, il-perikli relatati ma 'runaway termali tal-LIBs ġibdu l-attenzjoni tan-nies. Minn perspettiva materjali, elettrodi pożittivi b'ħafna nikil għandhom kwistjonijiet serji ta 'sikurezza. Barra minn hekk, ossidazzjoni / crosstalk ta 'komponenti oħra tal-batterija, bħal likwidi organiċi u elettrodi negattivi, jistgħu wkoll jikkawżaw runaway termali, li huwa meqjus bħala l-kawża ewlenija ta' problemi ta 'sikurezza. Il-formazzjoni kontrollabbli fil-post ta 'interface ta' elettrodu-elettrolit stabbli hija l-istrateġija primarja għall-ġenerazzjoni li jmiss ta 'batteriji bbażati fuq il-litju b'densità għolja ta' enerġija. Speċifikament, interfażi katodu-elettrolita solida u densa (CEI) b'komponenti inorganiċi ta 'stabbiltà termali ogħla tista' ssolvi l-problema tas-sigurtà billi tinibixxi r-rilaxx ta 'ossiġnu. S'issa, hemm nuqqas ta 'riċerka dwar materjali CEI modifikati bil-katodu u sigurtà fil-livell tal-batterija.

Wirja tal-kisbiet

Riċentement, Feng Xuning, Wang Li, u Ouyang Minggao tal-Università ta 'Tsinghua ppubblikaw dokument ta' riċerka intitolat "Interphases Ultraconformal In-Built Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" dwar Materjali tal-Ħżin tal-Enerġija. L-awtur evalwa l-prestazzjoni tas-sigurtà tal-batterija sħiħa ppakkjata artab NMC811/Gr prattika u l-istabbiltà termali tal-elettrodu pożittiv CEI korrispondenti. Il-mekkaniżmu ta 'soppressjoni termali runaway bejn il-materjal u l-batterija tal-pakkett artab ġie studjat b'mod komprensiv. Bl-użu ta 'elettrolit perfluorinat li ma jaqbadx, ġiet ippreparata batterija sħiħa tat-tip borża NMC811/Gr. L-istabbiltà termali ta 'NMC811 ġiet imtejba bis-saff protettiv CEI ffurmat in-situ rikk f'LiF inorganiku. Is-CEI ta 'LiF jista' effettivament itaffi r-rilaxx ta 'ossiġnu kkawżat mill-bidla fil-fażi u jinibixxi r-reazzjoni eżotermika bejn l-NMC811 kuntent u l-elettrolit fluworinat.

Gwida grafika

Figura 1 Tqabbil tal-karatteristiċi ta 'runaway termali ta' batterija sħiħa tat-tip ta 'borża NMC811/Gr prattika bl-użu ta' elettrolit perfluworinat u elettrolit konvenzjonali. Wara ċiklu wieħed ta 'batteriji sħaħ tat-tip ta' borża ta 'elettroliti FEC/FEMC/HFE tradizzjonali (a) EC/EMC u (b). (c) Elettroliżi konvenzjonali EC/EMC u (d) batterija sħiħa tat-tip tal-borża tal-elettroliti FEC/FEMC/HFE perfluorinati li maqbuda wara 100 ċiklu.

Għall-batterija NMC811/Gr b'elettrolit tradizzjonali wara ċiklu wieħed (Figura 1a), T2 huwa f'202.5 ° C. T2 iseħħ meta l-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ jinżel. Madankollu, it-T2 tal-batterija li juża l-elettrolit perfluworinat jilħaq 220.2 °C (Figura 1b), li juri li l-elettrolit perfluworinat jista 'jtejjeb is-sigurtà termali inerenti tal-batterija sa ċertu punt minħabba l-istabbiltà termali ogħla tiegħu. Hekk kif il-batterija tixjieħ, il-valur T2 tal-batterija tal-elettroliti tradizzjonali jinżel għal 195.2 °C (Figura 1c). Madankollu, il-proċess ta 'tixjiħ ma jaffettwax it-T2 tal-batterija bl-użu ta' elettroliti perfluworinati (Figura 1d). Barra minn hekk, il-valur massimu dT/dt tal-batterija li tuża l-elettrolit tradizzjonali matul TR huwa għoli daqs 113 °C s-1, filwaqt li l-batterija li tuża l-elettrolit perfluworinat hija biss 32 °C s-1. Id-differenza fit-T2 ta 'batteriji li qed tixjieħ tista' tiġi attribwita għall-istabbiltà termali inerenti ta 'NMC811 delighted, li hija mnaqqsa taħt elettroliti konvenzjonali, iżda tista' tinżamm b'mod effettiv taħt elettroliti perfluworinati.

Figura 2 Stabbiltà termali ta 'delithation NMC811 elettrodu pożittiv u taħlita ta' batterija NMC811/Gr. (A, b) Mapep tal-kontorn ta 'C-NMC811 u F-NMC811 synchrotron XRD ta' enerġija għolja u l-bidliet fil-quċċata tad-diffrazzjoni korrispondenti (003). (c) It-tisħin u l-imġieba tar-rilaxx tal-ossiġnu tal-elettrodu pożittiv ta 'C-NMC811 u F-NMC811. (d) Kurva DSC tat-taħlita tal-kampjun tal-elettrodu pożittiv kuntent, elettrodu negattiv litijat, u elettrolit.

Figuri 2a u b juru l-kurvi HEXRD ta 'NMC81 delighted b'saffi CEI differenti fil-preżenza ta' elettroliti konvenzjonali u matul il-perjodu mit-temperatura tal-kamra sa 600 ° C. Ir-riżultati juru b'mod ċar li fil-preżenza ta 'elettrolit, saff CEI b'saħħtu jwassal għall-istabbiltà termali tal-katodu depożitat bil-litju. Kif muri fil-Figura 2c, F-NMC811 wieħed wera quċċata eżotermika aktar bil-mod f'233.8 ° C, filwaqt li l-quċċata eżotermika C-NMC811 deher f'227.3 ° C. Barra minn hekk, l-intensità u r-rata ta 'rilaxx ta' ossiġnu kkawżati mit-tranżizzjoni tal-fażi ta 'C-NMC811 huma aktar severi minn dawk ta' F-NMC811, u jikkonfermaw aktar li CEI robusta ttejjeb l-istabbiltà termali inerenti ta 'F-NMC811. Figura 2d twettaq test DSC fuq taħlita ta 'NMC811 kuntent u komponenti oħra tal-batterija korrispondenti. Għal elettroliti konvenzjonali, il-qċaċet eżotermiċi tal-kampjuni b'1 u 100 ċiklu jindikaw li t-tixjiħ tal-interface tradizzjonali se jnaqqas l-istabbiltà termali. B'kuntrast, għall-elettrolit perfluorinat, l-illustrazzjonijiet wara 1 u 100 ċiklu juru qċaċet eżotermiċi wesgħin u ħfief, f'konformità mat-temperatura tal-grillu TR (T2). Ir-riżultati (Figura 1) huma konsistenti, u jindikaw li s-CEI b'saħħitha tista 'ttejjeb b'mod effettiv l-istabbiltà termali tal-NMC811 anzjana u kuntenta u komponenti oħra tal-batterija.

Figura 3 Karatterizzazzjoni ta 'elettrodu pożittiv NMC811 delighted fl-elettrolit perfluworinat. (ab) Immaġini SEM trasversali tal-elettrodu pożittiv F-NMC811 antik u l-immappjar EDS korrispondenti. (ch) Distribuzzjoni ta' l-elementi. (ij) Immaġini SEM trasversali tal-elettrodu pożittiv F-NMC811 antik fuq xy virtwali. (km) Rikostruzzjoni ta' struttura 3D FIB-SEM u distribuzzjoni spazjali ta' elementi F.

Biex tikkonferma l-formazzjoni kontrollabbli ta 'CEI fluworinat, il-morfoloġija trasversali u d-distribuzzjoni tal-element tal-elettrodu pożittiv NMC811 antik irkuprat fil-batterija tal-pakkett artab attwali kienu kkaratterizzati minn FIB-SEM (Figura 3 ah). Fl-elettrolit perfluworinat, saff CEI fluworinat uniformi huwa ffurmat fuq il-wiċċ ta 'F-NMC811. Għall-kuntrarju, C-NMC811 fl-elettrolit konvenzjonali m'għandux F u jifforma saff CEI irregolari. Il-kontenut tal-element F fuq is-sezzjoni trasversali ta 'F-NMC811 (Figura 3h) huwa ogħla minn dak ta' C-NMC811, li jipprova aktar li l-formazzjoni in-situ tal-mesophase fluworinat inorganiku hija ċ-ċavetta biex tinżamm l-istabbiltà ta 'NMC811 kuntent. . Bl-għajnuna tal-immappjar FIB-SEM u EDS, kif muri fil-Figura 3m, osserva ħafna elementi F fil-mudell 3D fuq il-wiċċ ta 'F-NMC811.

Figura 4a) Id-distribuzzjoni tal-fond tal-element fuq il-wiċċ tal-elettrodu pożittiv NMC811 oriġinali u kuntent. (ac) FIB-TOF-SIMS qed ixerred id-distribuzzjoni ta 'elementi F, O, u Li fl-elettrodu pożittiv ta' NMC811. (df) Il-morfoloġija tal-wiċċ u d-distribuzzjoni tal-fond tal-elementi F, O, u Li tal-NMC811.

FIB-TOF-SEM żvela aktar id-distribuzzjoni tal-fond ta 'elementi fuq il-wiċċ ta' l-elettrodu pożittiv ta 'NMC811 (Figura 4). Meta mqabbel mal-kampjuni oriġinali u C-NMC811, instabet żieda sinifikanti fis-sinjal F fis-saff tal-wiċċ ta 'fuq ta' F-NMC811 (Figura 4a). Barra minn hekk, is-sinjali dgħajfin O u Li għolja fuq il-wiċċ jindikaw il-formazzjoni ta 'saffi CEI rikki f'F u Li (Figura 4b, c). Dawn ir-riżultati kollha kkonfermaw li F-NMC811 għandu saff CEI b'ħafna LiF. Meta mqabbel mas-CEI ta 'C-NMC811, is-saff CEI ta' F-NMC811 fih aktar elementi F u Li. Barra minn hekk, kif muri fil-FIGU. 4d-f, mill-perspettiva tal-fond tal-inċiżjoni tal-jone, l-istruttura tal-NMC811 oriġinali hija aktar robusta minn dik tal-NMC811 kuntent. Il-fond tal-inċiżjoni tal-F-NMC811 antik huwa iżgħar minn C-NMC811, li jfisser li F-NMC811 għandu stabbiltà strutturali eċċellenti.

Figura 5 Kompożizzjoni kimika CEI fuq il-wiċċ ta 'l-elettrodu pożittiv ta' NMC811. (a) Spettru XPS ta 'elettrodu pożittiv NMC811 CEI. (bc) XPS C1s u F1s spettri tal-elettrodu pożittiv NMC811 oriġinali u kuntent CEI. (d) Mikroskopju elettroniku ta 'trażmissjoni krijo: distribuzzjoni ta' elementi ta 'F-NMC811. (e) Immaġini TEM iffriżata tas-CEI ffurmata fuq F-NMC81. (fg) STEM-HAADF u STEM-ABF immaġini ta 'C-NMC811. (hi) STEM-HAADF u STEM-ABF immaġini ta 'F-NMC811.

Huma użaw XPS biex jikkaratterizzaw il-kompożizzjoni kimika tas-CEI f'NMC811 (Figura 5). B'differenza mill-C-NMC811 oriġinali, is-CEI ta 'F-NMC811 fih F kbir u Li iżda C minuri (Figura 5a). It-tnaqqis tal-ispeċi C jindika li CEI b'ħafna LiF jista 'jipproteġi F-NMC811 billi jnaqqas ir-reazzjonijiet sekondarji sostnuti bl-elettroliti (Figura 5b). Barra minn hekk, ammonti iżgħar ta 'CO u C=O jindikaw li s-soluzzjoniliżi ta' F-NMC811 hija limitata. Fl-ispettru F1s ta 'XPS (Figura 5c), F-NMC811 wera sinjal LiF qawwi, li jikkonferma li CEI fih ammont kbir ta' LiF derivat minn solventi fluworinati. L-immappjar tal-elementi F, O, Ni, Co, u Mn fiż-żona lokali fuq il-partiċelli F-NMC811 juri li d-dettalji huma mqassma b'mod uniformi kollha kemm hi (Figura 5d). L-immaġni TEM b'temperatura baxxa fil-Figura 5e turi li CEI jista 'jaġixxi bħala saff protettiv biex ikopri b'mod uniformi l-elettrodu pożittiv NMC811. Biex tikkonferma aktar l-evoluzzjoni strutturali ta 'l-interface, twettqu esperimenti ta' mikroskopija elettronika ta 'trażmissjoni ta' skanjar ta 'kamp skur ċirkolari b'angolu għoli (HAADF-STEM u mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni ta 'skanjar ta' kamp qawwi ċirkolari (ABF-STEM). Għall-elettrolit tal-karbonat (C). -NMC811), Il-wiċċ tal-elettrodu pożittiv li jiċċirkola għadda minn bidla severa fil-fażi, u fażi diżordinata tal-melħ tal-blat hija akkumulata fuq il-wiċċ tal-elettrodu pożittiv (Figura 5f).Għall-elettrolit perfluworinat, il-wiċċ tal-F-NMC811 elettrodu pożittiv iżomm struttura f'saffi (Figura 5h), li jindika ħsara Il-fażi ssir effettivament mrażżna Barra minn hekk, saff CEI uniformi kien osservat fuq il-wiċċ ta 'F-NMC811 (Figura 5i-g).Dawn ir-riżultati jipprovaw aktar l-uniformità tal- Saff CEI fuq il-wiċċ ta 'l-elettrodu pożittiv ta' NMC811 fl-elettrolit perfluworinat.

Figura 6a) Spettru TOF-SIMS tal-fażi tal-interfażi fuq il-wiċċ tal-elettrodu pożittiv NMC811. (ac) Analiżi fil-fond ta 'frammenti speċifiċi tat-tieni jone fuq l-elettrodu pożittiv ta' NMC811. (df) Spettru kimiku TOF-SIMS tat-tieni framment tal-jone wara 180 sekonda ta' sputtering fuq l-oriġinal, C-NMC811 u F-NMC811.

Il-frammenti C2F huma ġeneralment meqjusa bħala sustanzi organiċi tas-CEI, u l-frammenti LiF2 u PO2 ġeneralment jitqiesu bħala speċi inorganiċi. Fl-esperiment inkisbu sinjali mtejba b'mod sinifikanti ta 'LiF2- u PO2- (Figura 6a, b), li jindika li s-saff CEI ta' F-NMC811 fih numru kbir ta 'speċi inorganiċi. Għall-kuntrarju, is-sinjal C2F ta 'F-NMC811 huwa aktar dgħajjef minn dak ta' C-NMC811 (Figura 6c), li jfisser li s-saff CEI ta 'F-NMC811 fih speċi organiċi inqas fraġli. Aktar riċerka sabet (Figura 6d-f) li hemm aktar speċi inorganiċi fis-CEI ta 'F-NMC811, filwaqt li hemm inqas speċi inorganiċi f'C-NMC811. Dawn ir-riżultati kollha juru l-formazzjoni ta 'saff CEI solidu b'ħafna inorganiċi fl-elettrolit perfluworinat. Meta mqabbel mal-batterija tal-pakkett artab NMC811/Gr bl-użu ta 'elettrolit tradizzjonali, it-titjib tas-sigurtà tal-batterija tal-pakkett artab bl-użu ta' elettrolit perfluworinat jista 'jiġi attribwit għal: L-ewwel, il-formazzjoni in-situ ta' saff CEI rikk f'LiF inorganiku hija ta 'benefiċċju. L-istabbiltà termali inerenti tal-elettrodu pożittiv NMC811 kuntent inaqqas ir-rilaxx tal-ossiġnu tal-kannizzata kkawżat minn transizzjoni tal-fażi; it-tieni nett, is-saff protettiv CEI solidu inorganiku jkompli jipprevjeni lid-delithiation reattiv ħafna NMC811 milli jikkuntattja l-elettrolit, u jnaqqas ir-reazzjoni tal-ġenb eżotermika; it-tielet, L-elettrolit perfluworinat għandu stabbiltà termali għolja f'temperaturi għoljin.

Konklużjoni u Prospetti

Dan ix-xogħol irrapporta l-iżvilupp ta 'batterija sħiħa tat-tip borża Gr/NMC811 prattika bl-użu ta' elettrolit perfluworinat, li tejbet b'mod sinifikanti l-prestazzjoni tas-sikurezza tagħha. Stabbiltà termali intrinsika. Studju fil-fond tal-mekkaniżmu ta 'inibizzjoni TR u l-korrelazzjoni bejn il-materjali u l-livelli tal-batterija. Il-proċess ta 'tixjiħ ma jaffettwax it-temperatura tal-grillu TR (T2) tal-batterija tal-elettrolit perfluorinat matul il-maltemp kollu, li għandu vantaġġi ovvji fuq il-batterija li qed tixjieħ bl-użu tal-elettrolit tradizzjonali. Barra minn hekk, il-quċċata eżotermika hija konsistenti mar-riżultati TR, li jindika li s-CEI b'saħħitha twassal għall-istabbiltà termali tal-elettrodu pożittiv ħieles mill-litju u komponenti oħra tal-batterija. Dawn ir-riżultati juru li d-disinn ta 'kontroll in-situ tas-saff CEI stabbli għandu sinifikat importanti ta' gwida għall-applikazzjoni prattika ta 'batteriji tal-litju ta' enerġija għolja aktar sikuri.

Informazzjoni dwar il-letteratura

Interphases Ultrakonformali In-Built Jippermettu Batteriji tal-Lithium Prattiċi ta 'Sigurtà Għolja, Materjali tal-Ħażna tal-Enerġija, 2021.

close_white
qrib

Ikteb l-inkjesta hawn

tweġiba fi żmien 6 sigħat, kwalunkwe mistoqsija hija milqugħa!

    [klassi^="wpforms-"]
    [klassi^="wpforms-"]