ESM: Antarmuka ultra-konformal sing dibangun ing elektrolit perfluorinated kanggo baterei lithium energi dhuwur praktis

Latar Penelitian

Ing baterei lithium-ion, kanggo nggayuh target 350 Wh Kg-1, bahan katoda nggunakake oksida lapisan sing sugih nikel (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, diarani NMCxyz). Kanthi tambah kapadhetan energi, bebaya sing ana gandhengane karo pelarian termal LIB wis narik perhatian wong. Saka perspektif material, elektroda positif sing sugih nikel duwe masalah keamanan sing serius. Kajaba iku, oksidasi / crosstalk komponen baterei liyane, kayata cairan organik lan elektroda negatif, uga bisa micu runaway termal, sing dianggep minangka panyebab utama masalah safety. Formasi sing bisa dikontrol ing-situ saka antarmuka elektroda-elektrolit sing stabil minangka strategi utama kanggo generasi sabanjure baterei basis lithium-kapadhetan dhuwur. Khusus, interphase katoda-elektrolit (CEI) sing padhet lan padhet kanthi komponen anorganik stabilitas termal sing luwih dhuwur bisa ngatasi masalah safety kanthi nyegah pelepasan oksigen. Nganti saiki, ana kekurangan riset babagan bahan sing dimodifikasi katoda CEI lan safety level baterei.

Tampilan prestasi

Bubar, Feng Xuning, Wang Li, lan Ouyang Minggao saka Universitas Tsinghua nerbitake makalah riset kanthi irah-irahan "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" ing Bahan Panyimpenan Energi. Penulis ngevaluasi kinerja safety praktis NMC811 / Gr baterei lengkap alus lan stabilitas termal saka elektroda positif CEI sing cocog. Mekanisme penekanan termal ing antarane materi lan baterei paket alus wis diteliti kanthi lengkap. Nggunakake elektrolit perfluorinated non-flammable, NMC811 / Gr kantong-jinis baterei lengkap disiapake. Stabilitas termal saka NMC811 iki apik dening ing-situ kawangun CEI lapisan protèktif sugih ing LiF anorganik. CEI saka LiF kanthi efektif bisa nyuda pelepasan oksigen sing disebabake dening owah-owahan fase lan nyandhet reaksi eksotermik antarane NMC811 sing seneng lan elektrolit fluorinasi.

Panuntun grafis

Figure 1 Comparison saka termal runaway karakteristik praktis NMC811 / Gr kantong-jinis baterei lengkap nggunakake elektrolit perfluorinated lan elektrolit conventional. Sawise siji siklus tradisional (a) EC / EMC lan (b) perfluorinated FEC / FEMC / HFE elektrolit jinis kantong baterei lengkap. (c) Elektrolisis EC/EMC konvensional lan (d) baterei lengkap tipe kantong elektrolit FEC/FEMC/HFE perfluorinated sing umure sawise 100 siklus.

Kanggo baterei NMC811/Gr karo elektrolit tradisional sawise siji siklus (Gambar 1a), T2 ing 202.5 ​​° C. T2 occurs nalika voltase sirkuit mbukak mudhun. Nanging, T2 baterei nggunakake elektrolit perfluorinated tekan 220.2 ° C (Gambar 1b), kang nuduhake yen elektrolit perfluorinated bisa nambah safety termal gawan saka baterei kanggo ombone tartamtu amarga stabilitas termal sing luwih dhuwur. Nalika umur baterei, nilai T2 saka baterei elektrolit tradisional mudhun dadi 195.2 °C (Gambar 1c). Nanging, proses tuwa ora mengaruhi T2 baterei nggunakake elektrolit perfluorinated (Gambar 1d). Kajaba iku, nilai dT/dt maksimum baterei sing nggunakake elektrolit tradisional sajrone TR nganti 113°C s-1, dene baterei sing nggunakake elektrolit perfluorinasi mung 32°C s-1. Bentenipun ing T2 baterei tuwa bisa lantaran kanggo stabilitas termal gawan NMC811 remen, kang suda ing elektrolit conventional, nanging bisa èfèktif maintained ing elektrolit perfluorinated.

Figure 2 Thermal stabilitas delithiation NMC811 elektroda positif lan NMC811 / Gr dicampur baterei. (A, b) Peta kontur C-NMC811 lan F-NMC811 synchrotron XRD energi dhuwur lan owah-owahan puncak difraksi sing cocog (003). (c) Ing panas lan oksigen release prilaku elektroda positif saka C-NMC811 lan F-NMC811. (d) kurva DSC campuran sampel saka elektroda positif remen, elektroda negatif lithiated, lan elektrolit.

Tokoh 2a lan b nuduhake kurva HEXRD saka NMC81 remen karo lapisan CEI beda ing ngarsane elektrolit conventional lan sak periode saka suhu kamar kanggo 600 ° C. Asil kasebut kanthi jelas nuduhake yen ing ngarsane elektrolit, lapisan CEI sing kuwat kondusif kanggo stabilitas termal katoda sing didepositokake litium. Kaya sing dituduhake ing Gambar 2c, siji F-NMC811 nuduhake puncak eksotermik sing luwih alon ing 233.8 ° C, dene puncak eksotermik C-NMC811 katon ing 227.3 ° C. Kajaba iku, intensitas lan tingkat pelepasan oksigen sing disebabake dening transisi fase C-NMC811 luwih abot tinimbang F-NMC811, luwih negesake manawa CEI sing kuat nambah stabilitas termal F-NMC811. Gambar 2d nindakake tes DSC ing campuran NMC811 sing nyenengake lan komponen baterei liyane sing cocog. Kanggo elektrolit konvensional, puncak eksotermik sampel kanthi 1 lan 100 siklus nuduhake yen tuwa antarmuka tradisional bakal nyuda stabilitas termal. Beda, kanggo elektrolit perfluorinated, ilustrasi sawise 1 lan 100 siklus nuduhake puncak eksotermik sing amba lan entheng, selaras karo suhu pemicu TR (T2). Asil (Figure 1) konsisten, nuduhake yen CEI kuwat bisa èfèktif nambah stabilitas termal saka lawas lan remen NMC811 lan komponen baterei liyane.

Gambar 3 Karakterisasi elektroda positif NMC811 ing elektrolit perfluorinated. (ab) Gambar SEM Cross-sectional saka elektroda positif F-NMC811 umur lan pemetaan EDS sing cocog. (ch) Distribusi unsur. (ij) Cross-sectional SEM gambar saka F-NMC811 elektroda positif umur ing xy virtual. (km) Rekonstruksi struktur FIB-SEM 3D lan distribusi spasial unsur F.

Kanggo konfirmasi tatanan controllable saka CEI fluorinated, morfologi salib-bagean lan distribusi unsur saka elektroda positif umur NMC811 mbalekake ing baterei alus-pack nyata ditondoi dening FIB-SEM (Figure 3 ah). Ing elektrolit perfluorinated, lapisan CEI fluorinated seragam dibentuk ing permukaan F-NMC811. Kosok baline, C-NMC811 ing elektrolit konvensional ora duwe F lan mbentuk lapisan CEI sing ora rata. Isi unsur F ing bagean salib F-NMC811 (Gambar 3h) luwih dhuwur tinimbang C-NMC811, sing luwih mbuktekake manawa pambentukan in-situ mesophase fluorinated anorganik minangka kunci kanggo njaga stabilitas NMC811 sing seneng. . Kanthi bantuan pemetaan FIB-SEM lan EDS, minangka ditampilake ing Figure 3m, diamati akeh unsur F ing model 3D ing lumahing F-NMC811.

Figure 4a) distribusi ambane unsur ing lumahing asli lan remen NMC811 elektroda positif. (ac) FIB-TOF-SIMS sputtering distribusi saka unsur F, O, lan Li ing elektroda positif saka NMC811. (df) Morfologi permukaan lan distribusi ambane unsur F, O, lan Li saka NMC811.

FIB-TOF-SEM luwih dicethakaké distribusi ambane unsur ing lumahing elektroda positif saka NMC811 (Figure 4). Dibandhingake karo conto asli lan C-NMC811, Tambah pinunjul ing sinyal F ditemokake ing lapisan lumahing ndhuwur F-NMC811 (Figure 4a). Kajaba iku, O lemah lan sinyal Li dhuwur ing lumahing nuduhake tatanan saka F- lan Li kaya lapisan CEI (Figure 4b, c). Asil kasebut kabeh dikonfirmasi manawa F-NMC811 duwe lapisan CEI sing sugih LiF. Dibandhingake karo CEI saka C-NMC811, lapisan CEI saka F-NMC811 ngandhut liyane unsur F lan Li. Kajaba iku, minangka ditampilake ing FIGS. 4d-f, saka perspektif ambane etsa ion, struktur NMC811 asli luwih kuat tinimbang NMC811 sing nyenengake. Ambane etch saka F-NMC811 umur luwih cilik tinimbang C-NMC811, tegese F-NMC811 nduweni stabilitas struktural sing apik banget.

Figure 5 komposisi kimia CEI ing lumahing elektroda positif saka NMC811. (a) XPS spektrum saka NMC811 elektroda positif CEI. (bc) XPS C1s lan F1s spektrum saka asli lan remen NMC811 elektroda positif CEI. (d) Mikroskop elektron transmisi cryo: distribusi unsur F-NMC811. (e) Gambar TEM beku saka CEI sing dibentuk ing F-NMC81. (fg) gambar STEM-HAADF lan STEM-ABF saka C-NMC811. (hi) gambar STEM-HAADF lan STEM-ABF saka F-NMC811.

Padha digunakake XPS kanggo ciri komposisi kimia CEI ing NMC811 (Figure 5). Ora kaya C-NMC811 asli, CEI saka F-NMC811 ngemot F lan Li gedhe nanging C cilik (Gambar 5a). Pengurangan spesies C nuduhake yen CEI sing sugih LiF bisa nglindhungi F-NMC811 kanthi ngurangi reaksi sisih sing terus-terusan karo elektrolit (Gambar 5b). Kajaba iku, jumlah CO lan C = O sing luwih cilik nuduhake yen solvolisis F-NMC811 diwatesi. Ing spektrum F1s XPS (Gambar 5c), F-NMC811 nuduhake sinyal LiF kuat, konfirmasi sing CEI ngemot jumlah gedhe saka LiF asalé saka pelarut fluorinated. Pemetaan unsur F, O, Ni, Co, lan Mn ing wilayah lokal ing partikel F-NMC811 nuduhake manawa rincian disebarake kanthi seragam (Gambar 5d). Gambar TEM suhu kurang ing Figure 5e nuduhake yen CEI bisa tumindak minangka lapisan protèktif kanggo seragam nutupi elektroda positif NMC811. Kanggo luwih ngonfirmasi evolusi struktur antarmuka, mikroskop elektron transmisi pemindaian medan gelap bunder sudut dhuwur (HAADF-STEM lan mikroskop elektron transmisi pemindaian medan cerah bunder (ABF-STEM) ditindakake. Kanggo elektrolit karbonat (C). -NMC811), Lumahing elektroda positif sing sirkulasi wis ngalami owah-owahan fase sing abot, lan fase uyah rock sing ora teratur diklumpukake ing permukaan elektroda positif (Gambar 5f). Kanggo elektrolit perfluorinasi, permukaan F-NMC811 elektroda positif njaga struktur dilapisi (Gambar 5h), nuduhake mbebayani Fase dadi èfèktif ditindhes. Kajaba iku, lapisan CEI seragam diamati ing lumahing F-NMC811 (Gambar 5i-g) asil iki luwih mbuktekaken uniformity saka Lapisan CEI ing permukaan elektroda positif NMC811 ing elektrolit perfluorinated.

Figure 6a) spektrum TOF-SIMS saka phase interphase ing lumahing elektroda positif NMC811. (ac) Analisis jero saka pecahan ion kapindho tartamtu ing elektroda positif NMC811. (df) TOF-SIMS spektrum kimia saka pecahan ion kapindho sawise 180 detik sputtering ing asli, C-NMC811 lan F-NMC811.

Fragmen C2F umume dianggep minangka zat organik saka CEI, lan fragmen LiF2 lan PO2 biasane dianggep minangka spesies anorganik. Sinyal sing ditingkatake kanthi signifikan saka LiF2- lan PO2- dijupuk ing eksperimen (Gambar 6a, b), nuduhake yen lapisan CEI F-NMC811 ngemot akeh spesies anorganik. Ing nalisir, C2F-sinyal saka F-NMC811 ora pati roso saka C-NMC811 (Figure 6c), kang tegese lapisan CEI saka F-NMC811 ngandhut spesies organik kurang pecah. Panaliten luwih lanjut nemokake (Gambar 6d-f) manawa ana luwih akeh spesies anorganik ing CEI saka F-NMC811, dene luwih sithik spesies anorganik ing C-NMC811. Kabeh asil kasebut nuduhake pembentukan lapisan CEI sing sugih anorganik sing padhet ing elektrolit perfluorinasi. Dibandhingake karo NMC811 / Gr baterei soft-pack nggunakake elektrolit tradisional, dandan safety saka baterei soft-pack nggunakake elektrolit perfluorinated bisa lantaran kanggo: First, tatanan ing-situ saka lapisan CEI sugih ing LiF anorganik ono gunane. Stabilitas termal gawan saka elektroda positif NMC811 remen nyuda release saka oksigen kisi disebabake transisi phase; sareh, lapisan protèktif CEI anorganik ngalangi luwih NMC811 delithiation Highly reaktif kontak elektrolit, ngurangi reaksi sisih exothermic; katelu, The elektrolit perfluorinated wis stabilitas termal dhuwur ing suhu dhuwur.

Kesimpulan lan Outlook

Karya iki nglapurake pangembangan baterei lengkap tipe kantong Gr / NMC811 praktis nggunakake elektrolit perfluorinated, sing ningkatake kinerja safety. Stabilitas termal intrinsik. Sinau kanthi jero babagan mekanisme inhibisi TR lan korélasi antarane bahan lan tingkat baterei. Proses tuwa ora mengaruhi suhu pemicu TR (T2) saka baterei elektrolit perfluorinated sak badai kabeh, kang wis kaluwihan ketok liwat baterei tuwa nggunakake elektrolit tradisional. Kajaba iku, puncak eksotermik konsisten karo asil TR, nuduhake yen CEI sing kuwat kondusif kanggo stabilitas termal elektroda positif tanpa lithium lan komponen baterei liyane. Asil kasebut nuduhake manawa desain kontrol in-situ saka lapisan CEI sing stabil nduweni makna panuntun sing penting kanggo aplikasi praktis baterei lithium energi dhuwur sing luwih aman.

Informasi sastra

Interphase Ultrakonformal Dibangun Ngaktifake Baterei Lithium Praktis Aman, Bahan Panyimpenan Energi, 2021.