ESM: Практик өндөр энергитэй литийн батерейнд зориулсан перфторжуулсан электролитийн суурилуулсан хэт нийцтэй интерфейс

Судалгааны үндэслэл

Лити-ион батерейнд 350 Wh Kg-1 зорилгод хүрэхийн тулд катодын материал нь никелээр баялаг давхаргат исэл (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, NMCxyz гэж нэрлэдэг) ашигладаг. Эрчим хүчний нягтрал нэмэгдэхийн хэрээр LIB-ийн дулааны гүйлттэй холбоотой аюул хүмүүсийн анхаарлыг татсаар байна. Материаллаг талаас нь авч үзвэл никельээр баялаг эерэг электродууд нь аюулгүй байдлын ноцтой асуудалтай байдаг. Нэмж дурдахад органик шингэн ба сөрөг электрод зэрэг батерейны бусад бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн исэлдэлт/загалмай нь дулааны гүйлгээг өдөөж болох бөгөөд энэ нь аюулгүй байдлын асуудлын гол шалтгаан гэж тооцогддог. Тогтвортой электрод-электролит интерфэйсийг газар дээр нь хянах боломжтой болгох нь дараагийн үеийн өндөр эрчим хүчний нягтралтай литийн батерейны үндсэн стратеги юм. Тодруулбал, өндөр дулааны тогтвортой байдал бүхий органик бус бүрэлдэхүүн хэсгүүд бүхий хатуу, нягт катод-электролит интерфаз (CEI) нь хүчилтөрөгчийн ялгаралтыг саатуулах замаар аюулгүй байдлын асуудлыг шийдэж чадна. Одоогоор CEI катодоор өөрчилсөн материал болон батерейны түвшний аюулгүй байдлын талаар судалгаа дутмаг байна.

Амжилтын дэлгэц

Саяхан Чинхуа их сургуулийн Фэн Шүнин, Ван Ли, Оуян Мингао нар эрчим хүч хадгалах материалын талаар "In-built Ultraconformal Interphases Enable Enable High Safety Practical Lithium Battery" нэртэй судалгааны өгүүлэл нийтлүүлсэн. Зохиогч нь практик NMC811/Gr зөөлөн савласан бүрэн батерейны аюулгүй байдлын гүйцэтгэл болон харгалзах CEI эерэг электродын дулааны тогтвортой байдлыг үнэлэв. Материал ба зөөлөн савлагааны зайны хоорондох дулааны гүйлгээг дарах механизмыг иж бүрэн судалсан. Шатамхай биш перфторжуулсан электролит ашиглан NMC811/Gr уутны төрлийн бүрэн батерейг бэлтгэсэн. NMC811-ийн дулааны тогтвортой байдлыг органик бус LiF-ээр баялаг CEI хамгаалалтын давхарга нь сайжруулсан. LiF-ийн CEI нь фазын өөрчлөлтөөс үүдэлтэй хүчилтөрөгчийн ялгаралтыг үр дүнтэй бууруулж, NMC811 ба фторжуулсан электролитийн хоорондох экзотермик урвалыг дарангуйлдаг.

График гарын авлага

Зураг 1 Перфторжуулсан электролит ба ердийн электролит ашиглан практик NMC811/Gr уут хэлбэрийн бүрэн батерейны дулааны гүйлтийн шинж чанарын харьцуулалт. Уламжлалт (a) EC/EMC ба (б) перфторжуулсан FEC/FEMC/HFE электролитийн ууттай төрлийн бүрэн батерейны нэг мөчлөгийн дараа. (в) Уламжлалт EC/EMC электролиз ба (г) 100 циклийн дараа хуучирсан перфторжуулсан FEC/FEMC/HFE электролитийн уут хэлбэрийн бүрэн батерей.

Нэг мөчлөгийн дараа уламжлалт электролит бүхий NMC811/Gr батерейны хувьд (Зураг 1а) T2 нь 202.5 ° C байна. Т2 нь нээлттэй хэлхээний хүчдэл буурах үед үүсдэг. Гэсэн хэдий ч перфторжуулсан электролит ашиглаж байгаа батерейны T2 нь 220.2°C хүрдэг (Зураг 1б) нь перфторжуулсан электролит нь дулааны тогтвортой байдал нь өндөр учраас батерейны төрөлхийн дулааны аюулгүй байдлыг тодорхой хэмжээгээр сайжруулж чаддагийг харуулж байна. Зайны нас ахих тусам уламжлалт электролитийн батерейны T2 утга нь 195.2 ° C хүртэл буурдаг (Зураг 1c). Гэсэн хэдий ч хөгшрөлтийн процесс нь перфторжуулсан электролит ашиглан батерейны T2-д нөлөөлдөггүй (Зураг 1d). Нэмж дурдахад, TR-ийн үед уламжлалт электролитийг ашигладаг батерейны хамгийн их dT/dt утга нь 113 ° C s-1 хүртэл өндөр байдаг бол перфторжуулсан электролит ашигладаг батерей нь ердөө 32 ° C s-1 байна. Хуучин батерейны T2-ийн ялгаа нь NMC811-ийн дулааны тогтворжилттой холбоотой байж болох бөгөөд энэ нь ердийн электролитийн үед багасдаг боловч перфторжуулсан электролитийн үед үр дүнтэй хадгалагдах боломжтой.

Зураг 2 Delithiation NMC811 эерэг электрод ба NMC811/Gr зайны хольцын дулааны тогтвортой байдал. (A,b) C-NMC811 ба F-NMC811 синхротрон өндөр энергийн XRD-ийн контурын зураг ба харгалзах (003) дифракцийн оргил өөрчлөлтүүд. (в) C-NMC811 ба F-NMC811-ийн эерэг электродын халаалт ба хүчилтөрөгч ялгаруулах үйл ажиллагаа. (г) Таалагдсан эерэг электрод, литийн сөрөг электрод, электролитийн дээжийн хольцын DSC муруй.

Зураг 2a ба b нь ердийн электролитийн агууламжтай, өрөөний температураас 81 ° C хүртэлх хугацаанд өөр өөр CEI давхарга бүхий NMC600-ийн HEXRD муруйг харуулж байна. Үр дүн нь электролитийн үед хүчтэй CEI давхарга нь лити агуулсан катодын дулааны тогтвортой байдалд тустай болохыг тодорхой харуулж байна. Зураг 2c-д үзүүлсэнчлэн, нэг F-NMC811 нь 233.8°C-т илүү удаан экзотермик оргилыг харуулсан бол C-NMC811 экзотермик оргил нь 227.3°C-д гарч ирэв. Нэмж дурдахад, C-NMC811-ийн фазын шилжилтийн улмаас үүссэн хүчилтөрөгчийн ялгарах эрч хүч, хурд нь F-NMC811-ээс илүү хүчтэй байдаг нь бат бөх CEI нь F-NMC811-ийн төрөлхийн дулааны тогтвортой байдлыг сайжруулдаг болохыг баталж байна. Зураг 2d нь баярласан NMC811 болон бусад тохирох батерейны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн холимог дээр DSC туршилтыг хийж байна. Уламжлалт электролитийн хувьд 1 ба 100 мөчлөгтэй дээжийн экзотермик оргилууд нь уламжлалт интерфейсийн хөгшрөлт нь дулааны тогтвортой байдлыг бууруулдаг болохыг харуулж байна. Үүний эсрэгээр, перфторжуулсан электролитийн хувьд 1 ба 100 мөчлөгийн дараах зургуудад TR гох температур (T2) -тай нийцүүлэн өргөн ба зөөлөн экзотермик оргилуудыг харуулж байна. Үр дүн нь (Зураг 1) тогтвортой байгаа нь хүчирхэг CEI нь хуучирсан, тааламжтай NMC811 болон бусад батерейны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн дулааны тогтвортой байдлыг үр дүнтэй сайжруулж чадна гэдгийг харуулж байна.

Зураг 3 Перфторжуулсан электролит дэх баярласан NMC811 эерэг электродын шинж чанар. (ab) Хуучин F-NMC811 эерэг электродын хөндлөн огтлолын SEM зураг ба харгалзах EDS зураглал. (ch) Элементийн тархалт. (ij) Виртуал xy дээрх хуучин F-NMC811 эерэг электродын хөндлөн огтлолын SEM зураг. (км) 3D FIB-SEM бүтцийг сэргээн засварлах ба F элементийн орон зайн тархалт.

Фторжуулсан CEI-ийн хяналттай үүсэхийг баталгаажуулахын тулд бодит зөөлөн батерейнд сэргээгдсэн NMC811 эерэг электродын хөндлөн огтлолын морфологи ба элементийн тархалтыг FIB-SEM-ээр тодорхойлсон (Зураг 3 ah). Перфторжуулсан электролитийн хувьд F-NMC811-ийн гадаргуу дээр жигд фторжуулсан CEI давхарга үүсдэг. Эсрэгээр, ердийн электролит дэх C-NMC811 нь F дутагдалтай бөгөөд тэгш бус CEI давхарга үүсгэдэг. F-NMC811-ийн хөндлөн огтлол дээрх F элементийн агууламж (Зураг 3h) нь C-NMC811-ээс өндөр байгаа нь органик бус фторжуулсан мезофазын in-situ үүсэх нь баярласан NMC811-ийн тогтвортой байдлыг хадгалах түлхүүр гэдгийг нотолж байна. . FIB-SEM болон EDS зураглалын тусламжтайгаар 3м-т үзүүлсэн шиг F-NMC3-ийн гадаргуу дээрх 811D загварт олон F элементийг ажигласан.

Зураг 4a) Анхны болон тааламжтай NMC811 эерэг электродын гадаргуу дээрх элементийн гүний тархалт. (ac) FIB-TOF-SIMS нь NMC811-ийн эерэг электрод дахь F, O, Li элементүүдийн тархалтыг цацаж байна. (df) NMC811-ийн F, O, Li элементүүдийн гадаргуугийн морфологи ба гүнийн тархалт.

FIB-TOF-SEM нь NMC811-ийн эерэг электродын гадаргуу дээрх элементүүдийн гүн тархалтыг илчилсэн (Зураг 4). Анхны болон C-NMC811 дээжтэй харьцуулахад F-NMC811-ийн дээд гадаргуугийн давхаргад F дохио мэдэгдэхүйц нэмэгдсэн байна (Зураг 4a). Түүнчлэн гадаргуу дээрх сул O болон өндөр Li дохио нь F- ба Li-аар баялаг CEI давхаргууд үүссэнийг илтгэнэ (Зураг 4b, c). Эдгээр үр дүн нь F-NMC811 нь LiF-ээр баялаг CEI давхаргатай болохыг баталсан. C-NMC811-ийн CEI-тэй харьцуулахад F-NMC811-ийн CEI давхарга нь илүү их F ба Li элементүүдийг агуулдаг. Үүнээс гадна, зурагт үзүүлсэн шиг. 4d-f, ионы сийлбэрийн гүний үүднээс авч үзвэл анхны NMC811-ийн бүтэц нь тааламжтай NMC811-ээс илүү бат бөх юм. Хуучин F-NMC811-ийн сийлбэрийн гүн нь C-NMC811-ээс бага байгаа нь F-NMC811 нь бүтцийн хувьд маш сайн тогтвортой байдлыг илтгэнэ.

Зураг 5 NMC811-ийн эерэг электродын гадаргуу дээрх CEI химийн найрлага. (a) NMC811 эерэг электродын CEI-ийн XPS спектр. (bc) Анхны болон тааламжтай NMC1 эерэг электродын CEI-ийн XPS C1s ба F811s спектрүүд. (г) Крио дамжуулагч электрон микроскоп: F-NMC811 элементийн тархалт. (e) F-NMC81 дээр үүссэн CEI-ийн хөлдөөсөн TEM дүрс. (fg) C-NMC811-ийн STEM-HAADF болон STEM-ABF зургууд. (сайн) F-NMC811-ийн STEM-HAADF болон STEM-ABF зургууд.

Тэд NMC811 дэх CEI-ийн химийн найрлагыг тодорхойлохын тулд XPS ашигласан (Зураг 5). Анхны C-NMC811-ээс ялгаатай нь F-NMC811-ийн CEI нь том F ба Li, харин бага C агуулдаг (Зураг 5a). C төрлийн бууралт нь LiF-ээр баялаг CEI нь электролитээр удаан үргэлжлэх гаж урвалыг бууруулснаар F-NMC811-ийг хамгаалж чадна гэдгийг харуулж байна (Зураг 5б). Үүнээс гадна бага хэмжээний CO ба C=O нь F-NMC811-ийн уусгал задрал хязгаарлагдмал байгааг харуулж байна. XPS-ийн F1s спектрт (Зураг 5c) F-NMC811 нь хүчирхэг LiF дохиог харуулсан нь CEI нь фторжуулсан уусгагчаас гаргаж авсан LiF их хэмжээгээр агуулагдаж байгааг нотолж байна. F-NMC811 тоосонцор дээрх орон нутгийн F, O, Ni, Co, Mn элементүүдийн зураглал нь дэлгэрэнгүй мэдээлэл бүхэлдээ жигд тархсан болохыг харуулж байна (Зураг 5d). Зураг 5e-д үзүүлсэн бага температурын TEM зураг нь CEI нь NMC811 эерэг электродыг жигд бүрхэх хамгаалалтын давхарга болж чаддаг болохыг харуулж байна. Интерфэйсийн бүтцийн хувьслыг цаашид баталгаажуулахын тулд өндөр өнцгийн дугуй харанхуй талбайн сканнер дамжуулагч электрон микроскоп (HAADF-STEM ба дугуй тод талбайн сканнер дамжуулагч электрон микроскоп (ABF-STEM)) туршилтуудыг хийсэн. Карбонатын электролитийн хувьд (C) -NMC811), Эргэлтийн эерэг электродын гадаргууд хүчтэй фазын өөрчлөлт орж, эерэг электродын гадаргуу дээр эмх замбараагүй чулуулгийн давсны фаз хуримтлагдсан байна (Зураг 5f) Перфторжуулсан электролитийн хувьд F-NMC811-ийн гадаргуу эерэг электрод нь давхаргат бүтцийг хадгалж байдаг (Зураг 5h) нь хортой гэдгийг харуулж байна.Үе шат нь үр дүнтэй дарагдсан болно.Үүнээс гадна F-NMC811-ийн гадаргуу дээр нэгэн жигд CEI давхарга ажиглагдсан (Зураг 5i-g).Эдгээр үр дүн нь нэгдмэл байдлыг нотолж байна. Перфторжуулсан электролит дэх NMC811-ийн эерэг электродын гадаргуу дээрх CEI давхарга.

Зураг 6a) NMC811 эерэг электродын гадаргуу дээрх фазын фазын TOF-SIMS спектр. (ac) NMC811-ийн эерэг электрод дээрх тодорхой хоёр дахь ионы фрагментуудын гүнзгий дүн шинжилгээ. (df) эх C-NMC180 ба F-NMC811 дээр 811 секунд цацсаны дараа хоёр дахь ионы фрагментийн TOF-SIMS химийн спектр.

C2F-фрагментуудыг ерөнхийдөө CEI-ийн органик бодис гэж үздэг бөгөөд LiF2- болон PO2-фрагментуудыг ихэвчлэн органик бус зүйл гэж үздэг. Туршилтаар LiF2- ба PO2-ын мэдэгдэхүйц сайжруулсан дохиог олж авсан (Зураг 6a, b) нь F-NMC811-ийн CEI давхаргад олон тооны органик бус зүйл агуулагдаж байгааг харуулж байна. Эсрэгээр, F-NMC2-ийн C811F дохио нь C-NMC811-ээс сул байна (Зураг 6c) нь F-NMC811-ийн CEI давхарга нь эмзэг органик зүйлүүдийг бага агуулдаг гэсэн үг юм. Цаашдын судалгаагаар (Зураг 6d-f) F-NMC811-ийн CEI-д илүү олон органик бус зүйл байгаа бол C-NMC811-д органик бус зүйл цөөн байгааг олж тогтоосон. Эдгээр бүх үр дүн нь перфторжуулсан электролитэд органик бусаар баялаг хатуу CEI давхарга үүссэнийг харуулж байна. Уламжлалт электролит ашигладаг NMC811/Gr зөөлөн багц батерейтай харьцуулахад перфторжуулсан электролит ашиглан зөөлөн савлагаатай батерейны аюулгүй байдлыг сайжруулсан нь: Нэгдүгээрт, органик бус LiF-ээр баялаг CEI давхарга үүсэх нь ашигтай. Тааламжтай NMC811 эерэг электродын төрөлхийн дулааны тогтвортой байдал нь фазын шилжилтээс үүдэлтэй торны хүчилтөрөгчийн ялгаралтыг бууруулдаг; хоёрдугаарт, хатуу органик бус CEI хамгаалалтын давхарга нь өндөр реактив delithiation NMC811 электролиттэй холбогдохоос сэргийлж, экзотермик гаж урвалыг бууруулдаг; Гуравдугаарт, перфторжуулсан электролит нь өндөр температурт өндөр дулааны тогтвортой байдлыг хангадаг.

Дүгнэлт ба хэтийн төлөв

Энэ ажил нь перфторжуулсан электролит ашиглан практик Gr/NMC811 уут хэлбэрийн бүрэн батерейг бүтээсэн тухай мэдээлсэн бөгөөд энэ нь аюулгүй байдлын үзүүлэлтийг эрс сайжруулсан. Дотоод дулааны тогтвортой байдал. TR дарангуйлах механизм ба материал ба батерейны түвшин хоорондын хамаарлыг гүнзгийрүүлсэн судалгаа. Хөгшрөлтийн процесс нь бүхэлдээ шуурганы туршид перфторжуулсан электролитийн батерейны TR гох температурт (T2) нөлөөлдөггүй бөгөөд энэ нь уламжлалт электролитийг ашигладаг хөгшрөлтийн батерейгаас илт давуу талтай юм. Нэмж дурдахад, экзотермик оргил нь TR-ийн үр дүнтэй нийцэж байгаа нь хүчтэй CEI нь литигүй эерэг электрод болон бусад зайны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн дулааны тогтвортой байдалд тустай болохыг харуулж байна. Эдгээр үр дүн нь тогтвортой CEI давхаргын in-situ удирдлагын загвар нь илүү аюулгүй өндөр энерги бүхий лити батерейг практикт ашиглахад чухал чиглүүлэгч ач холбогдолтой болохыг харуулж байна.

Уран зохиолын мэдээлэл

Суурилуулсан хэт нийцтэй интерфазууд нь өндөр аюулгүй практик лити батерейг идэвхжүүлдэг, эрчим хүч хадгалах материал, 2021 он.