ESM: Navbera ultra-konformal a elektrolîta perfluorînkirî ya çêkirî ji bo bataryayên lîtiumê yên bi enerjiya bilind.

Paşxaneya Lêkolînê

Di bataryayên lîtium-îon de, ji bo ku bigihîje armanca 350 Wh Kg-1, maddeya katodê oksîda qat-belavkirî ya dewlemend-nîkel bikar tîne (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, bi navê NMCxyz). Bi zêdebûna tîrêjiya enerjiyê re, xetereyên têkildarî reviya termal a LIB-ê bala mirovan kişandiye. Ji perspektîfa materyalê, elektrodên erênî yên dewlemend ên nîkel pirsgirêkên ewlehiyê yên cidî hene. Wekî din, oksîdasyon / xaça pêkhateyên din ên baterî, wek şikilên organîk û elektrodên neyînî, di heman demê de dikare revya termal jî derxe holê, ku sedema sereke ya pirsgirêkên ewlehiyê tê hesibandin. Damezrandina li cîhê kontrolkirî ya têkiliyek elektrod-elektrolît a domdar stratejiya bingehîn e ji bo nifşa paşîn a bataryayên bingehîn ên lîtium-danîsa bilind-enerjî. Bi taybetî, navfaza katod-elektrolîtê ya zexm û zexm (CEI) bi hêmanên neorganîkî yên îstîqrara germî ya bilindtir dikare bi astengkirina berdana oksîjenê pirsgirêka ewlehiyê çareser bike. Heya nuha, kêmbûna lêkolînê li ser materyalên katodê-guhartî yên CEI û ewlehiya asta batterê heye.

Achievement display

Di van demên dawî de, Feng Xuning, Wang Li, û Ouyang Minggao ji Zanîngeha Tsinghua, kaxezek lêkolînê ya bi sernavê "Navvezên Ultraconformal ên Navxweyî Bataryayên Lithiumê yên Bi Ewlekariya Bilind Dihêlin" li ser Materyalên Pargîdaniya Enerjiyê weşandin. Nivîskar performansa ewlehiyê ya pratîkî ya NMC811/Gr-baterya tije nerm-pakkirî û aramiya germî ya elektroda erênî ya CEI ya têkildar nirxand. Mekanîzmaya tepeserkirina dûrbûna germî ya di navbera maddî û pîlê pakêta nerm de bi berfirehî hatî lêkolîn kirin. Bi karanîna elektrolîtek perfluorînkirî ya ne-şewitbar, bataryek tije ya NMC811/Gr-yek pouch hate amadekirin. Stabiliya germî ya NMC811 ji hêla qata parastinê ya CEI-ya ku di hundurê cîh de hatî çêkirin û bi LiF-ya neorganîk ve dewlemend e, çêtir bû. CEI ya LiF dikare bi bandor serbestberdana oksîjenê ya ku ji hêla guheztina qonaxê ve hatî çêkirin sivik bike û reaksiyona exotermîk a di navbera NMC811-a dilşewat û elektrolîta florînkirî de asteng bike.

rêberê Graphic

Figure 1 Berawirdkirina taybetmendiyên revîna germî ya pîlê tije ya pratîkî ya NMC811/Gr-kîskê ku elektrolîta perfluorînkirî û elektrolîta kevneşopî bikar tîne. Piştî yek çerxa kevneşopî (a) EC/EMC û (b) perfluorînekirî FEC / FEMC / HFE kulika elektrolîtê ya bataryayên tije celeb. (c) Elektroliza kevneşopî ya EC/EMC û (d) bataryaya tije ya tîpa elektrolîtê ya FEC/FEMC/HFE ya perfluorînkirî ya ku piştî 100 dorhêlan temen dibe.

Ji bo pîlê NMC811 / Gr bi elektrolîta kevneşopî piştî yek çerxê (Wêne 1a), T2 li 202.5 ​​°C ye. Dema ku voltaja dorhêla vekirî dadikeve T2 çêdibe. Lêbelê, T2 ya pîlê ku elektrolîta perfluorînkirî bikar tîne digihîje 220.2 °C (Wêne 1b), ku nîşan dide ku elektrolîta perfluorînkirî dikare ewlehiya germî ya xwerû ya pîlê heya radeyekê ji ber aramiya wê ya germî ya bilindtir baştir bike. Her ku pîlê pîr dibe, nirxa T2 ya pîlê elektrolîtê ya kevneşopî dadikeve 195.2 °C (Wêne 1c). Lêbelê, pêvajoya pîrbûnê bandorê li T2 ya pîlê bi karanîna elektrolîtên perfluorînkirî nake (Wêne 1d). Wekî din, nirxa dT/dt ya herî zêde ya pîlê ku di dema TR de elektrolîta kevneşopî bikar tîne bi qasî 113 °C s-1 e, dema ku pîlê ku elektrolîta perfluorînkirî bikar tîne tenê 32 °C s-1 e. Cûdahiya di T2 ya bataryayên pîr de dikare bi aramiya germî ya xwerû ya NMC811-a dilşewat ve were girêdan, ku di binê elektrolîtên kevneşopî de kêm dibe, lê dikare di bin elektrolîtên perfluorînkirî de bi bandor were domandin.

Figure 2 Stêra germî ya elektroda erênî ya delithiation NMC811 û tevliheviya pîlê NMC811 / Gr. (A,b) Nexşeyên konturê yên C-NMC811 û F-NMC811 synchrotron-ê enerjiya bilind XRD û guherînên lûtkeya difraksiyonê ya têkildar (003). (c) Tevgera germkirin û berdana oksîjenê ya elektroda erênî ya C-NMC811 û F-NMC811. (d) Kûçek DSC ya tevliheviya nimûneyê ya elektroda erênî ya dilşewat, elektroda neyînî ya lîtîkî, û elektrolîtê.

Wêneyên 2a û b xêzikên HEXRD yên NMC81-a dilşad bi qatên CEI yên cihêreng di hebûna elektrolîtên kevneşopî de û di heyama ji germahiya jûreyê heya 600°C de nîşan didin. Encam bi zelalî destnîşan dikin ku di hebûna elektrolîtek de, tebeqek CEI ya bihêz ji bo aramiya germî ya katoda lîtium-depokirî re dibe alîkar. Wekî ku di jimar 2c de tê xuyang kirin, yek F-NMC811 di 233.8°C de lûtkeya exotermîkek hêdîtir nîşan da, dema ku lûtkeya biyanî ya C-NMC811 di 227.3 °C de xuya bû. Wekî din, zexm û rêjeya serbestberdana oksîjenê ya ku ji hêla veguheztina qonaxê ya C-NMC811 ve hatî çêkirin ji yên F-NMC811 girantir e, bêtir piştrast dike ku CEI-ya bihêz aramiya germî ya xwerû ya F-NMC811 çêtir dike. Figure 2d ceribandinek DSC-ê li ser tevliheviyek ji NMC811-a dilxweş û pêkhateyên din ên pîlê têkildar pêk tîne. Ji bo elektrolîtên kevneşopî, lûtkeyên egzotermîk ên nimûneyên bi 1 û 100 çerx ve destnîşan dikin ku pîrbûna navbera kevneşopî dê aramiya termal kêm bike. Berevajî vê, ji bo elektrolîta perfluorînkirî, nîgarên piştî 1 û 100 dewranan, li gorî germahiya TR (T2) lûtkeyên egzotermîk ên berfireh û nerm nîşan didin. Encam (Wêne 1) domdar in, ku destnîşan dikin ku CEI-ya bihêz dikare bi bandor aramiya germî ya NMC811-ya pîr û dilşad û hêmanên din ên pîlê baştir bike.

Figure 3 Taybetmendiya elektroda erênî ya dilşewat NMC811 di elektrolîta perfluorînkirî de. (ab) Wêneyên SEM-ê yên xaça elektroda erênî ya pîr F-NMC811 û nexşeya EDS ya têkildar. (ch) Dabeşkirina hêmanan. (ij) Wêneya SEM-a xaça ya elektroda erênî ya pîr F-NMC811 li ser xy-ya virtual. (km) Ji nû ve avakirina strukturên 3D FIB-SEM û belavkirina mekanî ya hêmanên F.

Ji bo piştrastkirina damezrandina kontrolkirî ya CEI-ya fluorînekirî, morfolojiya xaçerê û belavkirina hêmanan a elektroda erênî ya pîr NMC811 ya ku di pîlê nerm-pakêta rastîn de hatî peyda kirin ji hêla FIB-SEM ve hate destnîşan kirin (Wêne 3 ah). Di elektrolîta perfluorînkirî de, li ser rûyê F-NMC811 qatek CEI ya fluorînkirî ya yekbûyî çêdibe. Berevajî vê, C-NMC811 di elektrolîta kevneşopî de F kêm e û tebeqek CEI ya neyeksan pêk tîne. Naveroka hêmana F ya li ser xaça F-NMC811 (Wêne 3h) ji ya C-NMC811 bilindtir e, ku ev yek jî îsbat dike ku damezrandina li cîhê mezofaza fluorînkirî ya neorganîk mifteya parastina aramiya NMC811-a dilxweş e. . Bi alîkariya nexşeya FIB-SEM û EDS, wekî ku di Figure 3m de tê xuyang kirin, wê gelek hêmanên F di modela 3D de li ser rûyê F-NMC811 dît.

Figure 4a) Dabeşkirina kûrahiya hêmanê li ser rûyê elektroda erênî ya orîjînal û dilşewat NMC811. (ac) FIB-TOF-SIMS belavkirina hêmanên F, O, û Li di elektroda erênî ya NMC811 de dişoxilîne. (df) Morfolojiya rûkal û belavkirina kûrahiya hêmanên F, O, û Li yên NMC811.

FIB-TOF-SEM bêtir dabeşkirina kûrahiya hêmanan li ser rûyê elektroda erênî ya NMC811 eşkere kir (Wêne 4). Li gorî nimûneyên orîjînal û C-NMC811, zêdebûnek girîng di sînyala F de di qata rûkala jorîn a F-NMC811 de hate dîtin (Wêne 4a). Wekî din, îşaretên O-ya qels û bilind ên li ser rûxê avakirina qatên CEI yên dewlemend ên F- û Li-yê destnîşan dikin (Wêne 4b, c). Van encaman hemî piştrast kirin ku F-NMC811 xwedan qatek CEI-dewlemend a LiF ye. Li gorî CEI ya C-NMC811, qata CEI ya F-NMC811 bêtir hêmanên F û Li vedihewîne. Wekî din, wekî ku di Figs de tê nîşandan. 4d-f, ji perspektîfa kûrahiya etching ion, strukturê NMC811-ya orîjînal ji ya NMC811-a dilşewat zexmtir e. Kûrahiya etchê ya F-NMC811 ya pîr ji C-NMC811 piçûktir e, ku tê vê wateyê ku F-NMC811 xwedan aramiya avahîsaziyê ya hêja ye.

Wêne 5 Pêkhatina kîmyewî ya CEI li ser rûyê elektroda erênî ya NMC811. (a) XPS spektora NMC811 elektroda erênî CEI. (bc) Spektrên XPS C1s û F1s yên elektroda erênî ya CEI ya orîjînal û dilxweş NMC811. (d) Mîkroskopa elektronê ya Cryo-transmission: belavkirina hêmanên F-NMC811. (e) Wêneyê Frozen TEM-ê ya CEI ku li ser F-NMC81 hatî çêkirin. (fg) Wêneyên STEM-HAADF û STEM-ABF yên C-NMC811. (silav) Wêneyên STEM-HAADF û STEM-ABF yên F-NMC811.

Wan XPS bikar anîn da ku berhevoka kîmyewî ya CEI-yê di NMC811 de destnîşan bikin (Wêne 5). Berevajî C-NMC811-ya orîjînal, CEI-ya F-NMC811 F û Li-ya mezin lê C-ya piçûk dihewîne (Wêne 5a). Kêmkirina cureyên C destnîşan dike ku CEI-dewlemend bi LiF dikare F-NMC811 bi kêmkirina reaksiyonên alîgir ên domdar ên bi elektrolîtan biparêze (Wêne 5b). Wekî din, mîqdarên piçûktir ên CO û C=O destnîşan dikin ku solvolîzasyona F-NMC811 sînordar e. Di spektra F1s ya XPS de (Wêne 5c), F-NMC811 îşaretek LiF-ya hêzdar nîşan da, piştrast kir ku CEI hejmareke mezin a LiF-ê ya ku ji solavên florînkirî hatî peyda kirin vedihewîne. Nexşeya hêmanên F, O, Ni, Co, û Mn li qada herêmî li ser perçeyên F-NMC811 nîşan dide ku hûrgulî bi yekcarî bi tevahî têne belav kirin (Wêne 5d). Wêneya TEM-a-germahiya nizm a di xêza 5e de destnîşan dike ku CEI dikare wekî qatek parastinê tevbigere da ku elektroda erênî ya NMC811 bi yekreng veşêre. Ji bo bêtir piştrastkirina pêşkeftina avahîsaziyê ya navberê, ceribandinên mîkroskopiya elektronîkî ya veguheztina zeviya tarî ya bi goşeya bilind (HAADF-STEM û mîkroskopiya elektronê ya veguheztina qada ronahiyê ya dorhêl (ABF-STEM) hatin kirin. Ji bo elektrolîta karbonat (C -NMC811), Rûyê elektroda pozîtîf a gerguhêz ketiye ber guherîna qonaxek giran, û qonaxek xwêya zinar a têkçûyî li ser rûyê elektroda erênî tê berhev kirin (Wêne 5f). Ji bo elektrolîta perfluorînkirî, rûyê F-NMC811 Elektroda pozîtîf avahiyek qatkirî diparêze (Wêne 5h), zirarê nîşan dide. Tebeqeya CEI li ser rûbera elektroda erênî ya NMC811 di elektrolîta perfluorînkirî de.

Wêne 6a) TOF-SIMS spektora qonaxa navfazê ya li ser rûyê elektroda erênî ya NMC811. (ac) Analîzek kûr a perçeyên îyona duyemîn a taybetî ya li ser elektroda erênî ya NMC811. (df) TOF-SIMS spektora kîmyewî ya perçeya îyonê ya duyemîn piştî 180 saniye rijandina li ser orîjînal, C-NMC811 û F-NMC811.

Parçeyên C2F bi gelemperî madeyên organîk ên CEI têne hesibandin, û perçeyên LiF2- û PO2 bi gelemperî wekî celebên neorganîkî têne hesibandin. Di azmûnê de îşaretên girîng zêdekirî yên LiF2- û PO2- hatin bidestxistin (Wêne 6a, b), ku destnîşan dike ku qata CEI ya F-NMC811 hejmareke mezin ji cureyên neorganîk dihewîne. Berevajî vê, sînyala C2F ya F-NMC811 ji ya C-NMC811 qelstir e (Wêne 6c), ku tê vê wateyê ku tebeqeya CEI ya F-NMC811 cûreyên organîk ên hindiktir dihewîne. Zêdetir lêkolîn hate dîtin (Wêne 6d-f) ku di CEI ya F-NMC811 de bêtir celebên neorganîk hene, di C-NMC811 de kêmtir celebên neorganîk hene. Hemî van encaman di elektrolîta perfluorînkirî de avakirina qatek CEI ya dewlemend-neorganîk a zexm nîşan didin. Li gorî pîlê nerm-pakêta NMC811/Gr ku elektrolîtek kevneşopî bikar tîne, başkirina ewlehiya pîlê nerm-pakê ya ku elektrolîta perfluorînkirî bikar tîne ve dikare were veqetandin: Yekem, damezrandina li cîhê qatek CEI ya ku bi LiF-ya înorganîk ve dewlemend e, sûdmend e. Stabiliya germî ya xwerû ya elektroda erênî ya dilşewat NMC811 serbestberdana oksîjena tîrêjê ya ku ji hêla veguheztina qonaxê ve hatî çêkirin kêm dike; ya duyemîn, tebeqeya parastinê ya CEI ya neorganîkî ya zexm bêtir pêşî li delithiya pir reaktîf NMC811 digire ku bi elektrolîtê re têkilî dayne, reaksiyona aliyek exotermîk kêm dike; sêyem, Elektrolîta perfluorînkirî di germahiyên bilind de xwedan îstîqrara germî ya bilind e.

Encam û Outlook

Vê xebatê pêşkeftina pratîkek Gr/NMC811-type pouch-type-batteryalek bi karanîna elektrolîtek perfluorînkirî ragihand, ku bi girîngî performansa ewlehiya wê baştir kir. Stabiliya germî ya navxweyî. Lêkolînek kûr a mekanîzmaya astengkirina TR û pêwendiya di navbera materyal û asta batterê de. Pêvajoya pîrbûn bandorê li ser germahiya TR (T2) ya pîlê elektrolîta perfluorînkirî di tevahiya bahozê de nake, ku xwedan avantajên eşkere li ser pîlê pîrbûnê ye ku elektrolîta kevneşopî bikar tîne. Wekî din, lûtkeya exotermîk bi encamên TR-ê re hevaheng e, û destnîşan dike ku CEI-ya bihêz ji aramiya germî ya elektroda erênî ya bê lîtium û hêmanên din ên pîlê re têkildar e. Van encaman destnîşan dikin ku sêwirana kontrolê ya li cîhê ya qata CEI-ya stabîl ji bo sepana pratîkî ya bataryayên lîtiumê yên bi enerjiya bilind a ewledar xwedî girîngiyek rêberî ye.

Agahiyên edebî

Navberên Ultraconformal ên Navxweyî Bataryayên Lîtiumê yên Pratîk ên Ewlekariya Bilind, Materyalên Hilgirtina Enerjiyê, 2021 çalak dikin.