Home / Blog / ESM: Gitukod-sa ultra-conformal interface sa perfluorinated electrolyte alang sa praktikal nga high-energy lithium batteries

ESM: Gitukod-sa ultra-conformal interface sa perfluorinated electrolyte alang sa praktikal nga high-energy lithium batteries

19 Oct, 2021

By hoppt

Kaagi sa Panukiduki

Sa lithium-ion nga mga baterya, aron makab-ot ang tumong nga 350 Wh Kg-1, ang cathode nga materyal naggamit ug nickel-rich layered oxide (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, gitawag ug NMCxyz). Uban sa pagtaas sa densidad sa enerhiya, ang mga kapeligrohan nga may kalabutan sa thermal runaway sa LIBs nakadani sa atensyon sa mga tawo. Gikan sa materyal nga panan-aw, nickel-rich positibo nga electrodes adunay seryoso nga mga isyu sa kaluwasan. Dugang pa, ang oksihenasyon / crosstalk sa ubang mga sangkap sa baterya, sama sa mga organikong likido ug negatibo nga mga electrodes, mahimo usab nga mag-trigger sa thermal runaway, nga gikonsiderar nga nag-unang hinungdan sa mga problema sa kaluwasan. Ang in-situ controllable formation sa usa ka stable nga electrode-electrolyte interface mao ang nag-unang estratehiya alang sa sunod nga henerasyon sa high-energy-density lithium-based nga mga baterya. Sa piho, ang usa ka solido ug dasok nga cathode-electrolyte interphase (CEI) nga adunay mas taas nga thermal stability nga dili organikong mga sangkap makasulbad sa problema sa kaluwasan pinaagi sa pagpugong sa pagpagawas sa oxygen. Sa pagkakaron, kulang ang panukiduki bahin sa mga materyales nga gibag-o sa katod sa CEI ug kaluwasan sa lebel sa baterya.

Achievement display

Bag-ohay lang, si Feng Xuning, Wang Li, ug Ouyang Minggao sa Tsinghua University nagpatik ug research paper nga giulohan og "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" sa Energy Storage Materials. Gisusi sa tagsulat ang performance sa kaluwasan sa praktikal nga NMC811/Gr soft-packed full battery ug ang thermal stability sa katugbang nga CEI positive electrode. Ang mekanismo sa pagsumpo sa thermal runaway tali sa materyal ug sa soft pack nga baterya kay komprehensibo nga gitun-an. Gamit ang usa ka non-flammable perfluorinated electrolyte, usa ka NMC811/Gr pouch-type nga puno nga baterya ang giandam. Ang kalig-on sa thermal sa NMC811 gipauswag sa in-situ nga naporma nga CEI nga panalipod nga layer nga dato sa dili organikong LiF. Ang CEI sa LiF epektibo nga makapahupay sa pagpagawas sa oksiheno tungod sa pagbag-o sa hugna ug makapugong sa exothermic nga reaksyon tali sa nalipay nga NMC811 ug sa fluorinated electrolyte.

Giya sa graphic

Figure 1 Pagtandi sa thermal runaway nga mga kinaiya sa praktikal nga NMC811/Gr pouch-type nga puno nga baterya gamit ang perfluorinated electrolyte ug conventional electrolyte. Human sa usa ka cycle sa tradisyonal nga (a) EC/EMC ug (b) perfluorinated FEC/FEMC/HFE electrolyte pouch type full batteries. (c) Kombensyonal nga EC/EMC electrolysis ug (d) perfluorinated FEC/FEMC/HFE electrolyte pouch-type nga bug-os nga baterya nga nag-edad human sa 100 ka siklo.

Alang sa NMC811/Gr nga baterya nga adunay tradisyonal nga electrolyte pagkahuman sa usa ka siklo (Figure 1a), ang T2 naa sa 202.5 ° C. Ang T2 mahitabo kung ang open-circuit nga boltahe moubos. Bisan pa, ang T2 sa baterya nga naggamit sa perfluorinated electrolyte moabot sa 220.2 ° C (Figure 1b), nga nagpakita nga ang perfluorinated electrolyte makapauswag sa kinaiyanhong kaluwasan sa kainit sa baterya sa usa ka sukod tungod sa mas taas nga kalig-on sa kainit niini. Samtang nagkatigulang ang baterya, ang T2 nga kantidad sa tradisyonal nga electrolyte nga baterya mikunhod ngadto sa 195.2 °C (Figure 1c). Bisan pa, ang proseso sa pagkatigulang wala makaapekto sa T2 sa baterya gamit ang perfluorinated electrolytes (Figure 1d). Dugang pa, ang labing taas nga dT/dt nga kantidad sa baterya nga naggamit sa tradisyonal nga electrolyte sa panahon sa TR ingon kataas sa 113 °C s-1, samtang ang baterya nga naggamit sa perfluorinated electrolyte kay 32 °C s-1 lamang. Ang kalainan sa T2 sa nagka-edad nga mga baterya mahimong ikapasangil sa kinaiyanhong kalig-on sa kainit sa nalipay nga NMC811, nga gipakunhod ubos sa naandang electrolytes, apan mahimong epektibong mamentinar ubos sa perfluorinated electrolytes.

Figure 2 Thermal kalig-on sa delithiation NMC811 positibo nga electrode ug NMC811/Gr battery sagol. (A, b) Contour nga mga mapa sa C-NMC811 ug F-NMC811 synchrotron high-energy XRD ug ang katugbang nga (003) diffraction peak kausaban. (c) Ang pagpainit ug oxygen release kinaiya sa positibo nga electrode sa C-NMC811 ug F-NMC811. (d) DSC curve sa sample mixture sa nalipay nga positive electrode, lithiated negative electrode, ug electrolyte.

Ang mga numero 2a ug b nagpakita sa HEXRD nga mga kurba sa nalipay nga NMC81 nga adunay lainlaing mga layer sa CEI sa presensya sa naandan nga mga electrolyte ug sa panahon gikan sa temperatura sa kwarto hangtod sa 600 ° C. Ang mga resulta tin-aw nga nagpakita nga sa presensya sa usa ka electrolyte, ang usa ka lig-on nga layer sa CEI makatabang sa thermal stability sa lithium-deposited cathode. Ingon sa gipakita sa Figure 2c, ang usa ka F-NMC811 nagpakita sa usa ka hinay nga exothermic peak sa 233.8 ° C, samtang ang C-NMC811 exothermic peak nagpakita sa 227.3 ° C. Dugang pa, ang intensity ug rate sa pagpagawas sa oxygen nga gipahinabo sa phase transition sa C-NMC811 mas grabe kaysa sa F-NMC811, dugang nga nagpamatuod nga ang lig-on nga CEI nagpauswag sa kinaiyanhon nga thermal stability sa F-NMC811. Ang Figure 2d naghimo sa usa ka pagsulay sa DSC sa usa ka sinagol nga nalipay nga NMC811 ug uban pang katugbang nga sangkap sa baterya. Alang sa naandan nga mga electrolyte, ang mga exothermic nga taluktok sa mga sample nga adunay 1 ug 100 nga mga siklo nagpakita nga ang pagkatigulang sa tradisyonal nga interface makapakunhod sa thermal stability. Sa kasukwahi, alang sa perfluorinated electrolyte, ang mga ilustrasyon human sa 1 ug 100 nga mga siklo nagpakita sa lapad ug malumo nga exothermic peak, subay sa TR trigger temperature (T2). Ang mga resulta (Figure 1) makanunayon, nga nagpakita nga ang lig-on nga CEI epektibo nga makapauswag sa thermal stability sa mga tigulang ug nalipay nga NMC811 ug uban pang mga sangkap sa baterya.

Figure 3 Paghulagway sa nalipay nga NMC811 positibo nga electrode sa perfluorinated electrolyte. (ab) Cross-sectional SEM nga mga imahe sa tigulang nga F-NMC811 positibo nga electrode ug katugbang nga EDS mapping. (ch) Pag-apod-apod sa elemento. (ij) Cross-sectional SEM nga imahe sa tigulang nga F-NMC811 positibo nga electrode sa virtual xy. (km) Pagtukod pag-usab sa 3D FIB-SEM nga istruktura ug spatial nga pag-apod-apod sa mga elemento sa F.

Aron makumpirma ang makontrol nga pagporma sa fluorinated CEI, ang cross-sectional morphology ug pag-apod-apod sa elemento sa tigulang nga NMC811 positibo nga electrode nga nakuha sa aktwal nga soft-pack nga baterya gihulagway sa FIB-SEM (Figure 3 ah). Sa perfluorinated electrolyte, usa ka uniporme nga fluorinated CEI layer naporma sa ibabaw sa F-NMC811. Sa kasukwahi, ang C-NMC811 sa naandan nga electrolyte kulang sa F ug nagporma usa ka dili patas nga layer sa CEI. Ang sulud sa elemento sa F sa cross-section sa F-NMC811 (Figure 3h) mas taas kaysa sa C-NMC811, nga dugang nga nagpamatuod nga ang in-situ nga pagporma sa dili organikong fluorinated mesophase mao ang yawe sa pagpadayon sa kalig-on sa nalipay nga NMC811 . Uban sa tabang sa FIB-SEM ug EDS mapping, sama sa gipakita sa Figure 3m, nakita niini ang daghang mga elemento sa F sa 3D nga modelo sa ibabaw sa F-NMC811.

Figure 4a) Ang pag-apod-apod sa giladmon sa elemento sa ibabaw sa orihinal ug nalipay nga positibo nga elektrod sa NMC811. (ac) FIB-TOF-SIMS mao ang sputtering sa pag-apod-apod sa F, O, ug Li elemento sa positibo nga electrode sa NMC811. (df) Ang morpolohiya sa nawong ug giladmon nga pag-apod-apod sa F, O, ug Li nga mga elemento sa NMC811.

Ang FIB-TOF-SEM dugang nga nagpadayag sa giladmon nga pag-apod-apod sa mga elemento sa ibabaw sa positibo nga electrode sa NMC811 (Figure 4). Kung itandi sa orihinal ug C-NMC811 nga mga sample, usa ka mahinungdanong pagtaas sa F signal ang nakit-an sa ibabaw nga layer sa F-NMC811 (Figure 4a). Dugang pa, ang huyang nga O ug taas nga mga signal sa Li sa ibabaw nagpakita sa pagporma sa F- ug Li-rich CEI layers (Figure 4b, c). Kini nga mga resulta tanan nagpamatuod nga ang F-NMC811 adunay usa ka LiF-rich CEI layer. Kung itandi sa CEI sa C-NMC811, ang CEI layer sa F-NMC811 adunay daghang F ug Li nga mga elemento. Dugang pa, ingon sa gipakita sa FIGS. 4d-f, gikan sa panan-aw sa giladmon sa ion etching, ang istruktura sa orihinal nga NMC811 mas lig-on kaysa sa nalipay nga NMC811. Ang giladmon sa etch sa tigulang nga F-NMC811 mas gamay kaysa C-NMC811, nga nagpasabut nga ang F-NMC811 adunay maayo kaayo nga kalig-on sa istruktura.

Figure 5 CEI kemikal nga komposisyon sa nawong sa positibo nga electrode sa NMC811. (a) XPS spectrum sa NMC811 positibo nga electrode CEI. (bc) XPS C1s ug F1s spectra sa orihinal ug nalipay nga NMC811 positibo nga electrode CEI. (d) Cryo-transmission electron microscope: pag-apod-apod sa elemento sa F-NMC811. (e) Frozen TEM nga hulagway sa CEI nga naporma sa F-NMC81. (fg) STEM-HAADF ug STEM-ABF nga mga hulagway sa C-NMC811. (hi) STEM-HAADF ug STEM-ABF nga mga hulagway sa F-NMC811.

Gigamit nila ang XPS aron mailhan ang kemikal nga komposisyon sa CEI sa NMC811 (Figure 5). Dili sama sa orihinal nga C-NMC811, ang CEI sa F-NMC811 adunay usa ka dako nga F ug Li apan menor de edad nga C (Figure 5a). Ang pagkunhod sa mga espisye sa C nagpakita nga ang CEI nga dato sa LiF makapanalipod sa F-NMC811 pinaagi sa pagkunhod sa padayon nga reaksyon sa kilid sa mga electrolytes (Figure 5b). Dugang pa, ang gamay nga kantidad sa CO ug C = O nagpakita nga ang solvolysis sa F-NMC811 limitado. Sa F1s spectrum sa XPS (Figure 5c), ang F-NMC811 nagpakita sa usa ka gamhanan nga signal sa LiF, nga nagpamatuod nga ang CEI naglangkob sa usa ka dako nga kantidad sa LiF nga nakuha gikan sa fluorinated solvents. Ang pagmapa sa mga elemento sa F, O, Ni, Co, ug Mn sa lokal nga lugar sa mga partikulo sa F-NMC811 nagpakita nga ang mga detalye parehas nga giapod-apod sa kinatibuk-an (Figure 5d). Ang ubos nga temperatura nga TEM nga imahe sa Figure 5e nagpakita nga ang CEI mahimong molihok ingon usa ka panalipod nga layer aron parehas nga matabonan ang positibo nga elektrod sa NMC811. Aron sa dugang pagkumpirma sa structural evolution sa interface, ang high-angle circular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM ug circular bright-field scanning transmission electron microscopy (ABF-STEM) nga mga eksperimento gihimo. Alang sa carbonate electrolyte (C) -NMC811), Ang nawong sa nagpalibot nga positibo nga electrode nakaagi sa usa ka grabe nga pagbag-o sa hugna, ug usa ka dili maayo nga bahin sa asin nga bato ang natipon sa nawong sa positibo nga electrode (Figure 5f) Alang sa perfluorinated electrolyte, ang nawong sa F-NMC811 positibo nga electrode nagmintinar sa usa ka layered nga estraktura (Figure 5h), nga nagpakita makadaot Ang hugna nahimong epektibo nga gipugngan. Dugang pa, usa ka uniporme nga CEI layer ang naobserbahan sa ibabaw sa F-NMC811 (Figure 5i-g) Kini nga mga resulta dugang nga nagpamatuod sa pagkaparehas sa mga CEI layer sa positibo nga electrode nawong sa NMC811 sa perfluorinated electrolyte.

Figure 6a) TOF-SIMS spectrum sa interphase phase sa ibabaw sa NMC811 positibo nga electrode. (ac) Sa lawom nga pagtuki sa piho nga ikaduha nga mga tipik sa ion sa positibo nga electrode sa NMC811. (df) TOF-SIMS chemical spectrum sa ikaduhang tipik sa ion human sa 180 segundos nga pag-sputter sa orihinal, C-NMC811 ug F-NMC811.

Ang mga tipik sa C2F kasagarang giisip nga mga organikong substansiya sa CEI, ug ang mga tipik sa LiF2- ug PO2 kasagarang giisip nga dili organikong mga espisye. Mahinungdanon nga gipaayo nga mga signal sa LiF2- ug PO2- nakuha sa eksperimento (Figure 6a, b), nga nagpakita nga ang CEI layer sa F-NMC811 adunay daghang mga dili organikong espisye. Sa kasukwahi, ang C2F-signal sa F-NMC811 mas huyang kaysa sa C-NMC811 (Figure 6c), nga nagpasabot nga ang CEI layer sa F-NMC811 adunay dili kaayo mahuyang nga organikong espisye. Ang dugang nga panukiduki nakit-an (Figure 6d-f) nga adunay daghang dili organikong espisye sa CEI sa F-NMC811, samtang adunay gamay nga dili organikong espisye sa C-NMC811. Ang tanan niini nga mga resulta nagpakita sa pagporma sa usa ka solid inorganic-rich CEI layer sa perfluorinated electrolyte. Kung itandi sa NMC811/Gr nga soft-pack nga baterya gamit ang tradisyonal nga electrolyte, ang pag-uswag sa kaluwasan sa soft-pack nga baterya gamit ang perfluorinated electrolyte mahimong ikapasangil sa: Una, ang in-situ nga pagporma sa usa ka CEI layer nga puno sa dili organikong LiF mapuslanon. Ang kinaiyanhon nga kalig-on sa thermal sa nalipay nga positibo nga electrode sa NMC811 nagpamenos sa pagpagawas sa oksiheno sa lattice tungod sa pagbalhin sa hugna; ikaduha, ang solid inorganic CEI protective layer sa dugang nga pagpugong sa kaayo reaktibo delithiation NMC811 gikan sa pagkontak sa electrolyte, pagkunhod sa exothermic kilid reaksyon; ikatulo, Ang perfluorinated electrolyte adunay taas nga kalig-on sa kainit sa taas nga temperatura.

Konklusyon ug Panglantaw

Gi-report sa kini nga trabaho ang pag-uswag sa usa ka praktikal nga Gr/NMC811 nga pouch-type nga puno nga baterya gamit ang usa ka perfluorinated electrolyte, nga labi nga nagpauswag sa pasundayag sa kaluwasan niini. Intrinsic nga kalig-on sa kainit. Usa ka lawom nga pagtuon sa mekanismo sa pagpugong sa TR ug ang correlation tali sa mga materyales ug lebel sa baterya. Ang proseso sa pagkatigulang dili makaapekto sa TR trigger temperature (T2) sa perfluorinated electrolyte nga baterya sa panahon sa tibuok bagyo, nga adunay dayag nga mga bentaha sa pagkatigulang nga baterya gamit ang tradisyonal nga electrolyte. Dugang pa, ang exothermic peak nahiuyon sa mga resulta sa TR, nga nagpakita nga ang lig-on nga CEI mao ang maayo sa thermal stability sa lithium-free nga positibo nga electrode ug uban pang mga sangkap sa baterya. Kini nga mga resulta nagpakita nga ang in-situ control design sa stable nga CEI layer adunay importante nga giya nga kahulogan alang sa praktikal nga paggamit sa mas luwas nga high-energy lithium batteries.

Impormasyon sa literatura

In-Built Ultraconformal Interphases Makahimo sa Hataas-Kaluwasan Praktikal nga Lithium Baterya, Energy Storage Materials, 2021.

duol_puti
suod nga

Isulat ang pangutana dinhi

tubag sa sulod sa 6 ka oras, bisan unsa nga mga pangutana mao ang welcome!

    en English
    X
    [class^="wpforms-"]
    [class^="wpforms-"]