Početna stranica / Блог / ЕСМ: Уграђен ултра-конформни интерфејс перфлуорисаног електролита за практичне високоенергетске литијумске батерије

ЕСМ: Уграђен ултра-конформни интерфејс перфлуорисаног електролита за практичне високоенергетске литијумске батерије

КСНУМКС Окт, КСНУМКС

By хоппт

Позадина истраживања

У литијум-јонским батеријама, да би се постигао циљ од 350 Вх Кг-1, материјал катоде користи слојевити оксид богат никлом (ЛиНикМниЦозО2, к+и+з=1, назван НМЦкиз). Са повећањем густине енергије, пажњу људи су привукле опасности од термичког бекства ЛИБ-ова. Из перспективе материјала, позитивне електроде богате никлом имају озбиљне безбедносне проблеме. Поред тога, оксидација/преслушавање других компоненти батерије, као што су органске течности и негативне електроде, такође може да изазове топлотни одлазак, што се сматра водећим узроком безбедносних проблема. Формирање стабилног интерфејса електрода-електролит који се може контролисати на лицу места је примарна стратегија за следећу генерацију литијумских батерија високе густине енергије. Конкретно, чврста и густа међуфаза катода-електролит (ЦЕИ) са вишом термичком стабилношћу неорганских компоненти може решити безбедносни проблем инхибирањем ослобађања кисеоника. До сада постоји недостатак истраживања о материјалима модификованим на катоди ЦЕИ и безбедности на нивоу батерије.

Приказ достигнућа

Недавно су Фенг Ксунинг, Ванг Ли и Оуианг Минггао са Универзитета Тсингхуа објавили истраживачки рад под насловом „Уграђене ултраконформне међуфазе омогућавају високобезбедне практичне литијумске батерије“ о материјалима за складиштење енергије. Аутор је проценио безбедносне перформансе практичне НМЦ811/Гр меко упаковане пуне батерије и термичку стабилност одговарајуће ЦЕИ позитивне електроде. Механизам за сузбијање топлотног бекства између материјала и меке батерије је свеобухватно проучен. Коришћењем незапаљивог перфлуорованог електролита, припремљена је пуна батерија типа НМЦ811/Гр врећице. Термичка стабилност НМЦ811 је побољшана ин-ситу формираним ЦЕИ заштитним слојем богатим неорганским ЛиФ. ЦЕИ ЛиФ може ефикасно да ублажи ослобађање кисеоника узроковано променом фазе и инхибира егзотермну реакцију између одушевљеног НМЦ811 и флуорованог електролита.

Графички водич

Слика 1 Поређење карактеристика термичког одласка практичне пуне батерије типа НМЦ811/Гр у облику врећице која користи перфлуорисани електролит и конвенционални електролит. Након једног циклуса традиционалних (а) ЕЦ/ЕМЦ и (б) пуних батерија са перфлуорисаним ФЕЦ/ФЕМЦ/ХФЕ електролитом у врећици. (ц) Конвенционална ЕЦ/ЕМЦ електролиза и (д) пуна батерија са перфлуорисаним ФЕЦ/ФЕМЦ/ХФЕ кесом електролита која је стара после 100 циклуса.

За НМЦ811/Гр батерију са традиционалним електролитом након једног циклуса (слика 1а), Т2 је на 202.5°Ц. Т2 се јавља када напон отвореног кола падне. Међутим, Т2 батерије која користи перфлуорисани електролит достиже 220.2°Ц (слика 1б), што показује да перфлуорисани електролит може побољшати инхерентну термичку сигурност батерије у одређеној мери због њене веће термичке стабилности. Како батерија стари, вредност Т2 традиционалне батерије са електролитом пада на 195.2 °Ц (слика 1ц). Међутим, процес старења не утиче на Т2 батерије користећи перфлуороване електролите (слика 1д). Поред тога, максимална дТ/дт вредност батерије која користи традиционални електролит током ТР је чак 113°Ц с-1, док батерија која користи перфлуорисани електролит износи само 32°Ц с-1. Разлика у Т2 старих батерија може се приписати инхерентној термичкој стабилности одушевљеног НМЦ811, која је смањена под конвенционалним електролитима, али се може ефикасно одржавати под перфлуорованим електролитима.

Слика 2 Термичка стабилност делитационе НМЦ811 позитивне електроде и мешавине НМЦ811/Гр батерија. (А,б) Контурне мапе Ц-НМЦ811 и Ф-НМЦ811 синхротронског високоенергетског КСРД-а и одговарајуће промене (003) дифракцијских пикова. (ц) Понашање загревања и ослобађања кисеоника позитивне електроде Ц-НМЦ811 и Ф-НМЦ811. (д) ДСЦ крива мешавине узорка од одушевљене позитивне електроде, литиране негативне електроде и електролита.

Слике 2а и б приказују ХЕКСРД криве одушевљеног НМЦ81 са различитим ЦЕИ слојевима у присуству конвенционалних електролита и током периода од собне температуре до 600°Ц. Резултати јасно показују да у присуству електролита, јак ЦЕИ слој доприноси термичкој стабилности катоде депоноване литијумом. Као што је приказано на слици 2ц, један Ф-НМЦ811 показао је спорији егзотермни врх на 233.8°Ц, док се егзотермни врх Ц-НМЦ811 појавио на 227.3°Ц. Поред тога, интензитет и брзина ослобађања кисеоника узрокованих фазном транзицијом Ц-НМЦ811 су озбиљнији од оних код Ф-НМЦ811, што додатно потврђује да робустан ЦЕИ побољшава инхерентну термичку стабилност Ф-НМЦ811. Слика 2д изводи ДСЦ тест на мешавини одушевљеног НМЦ811 и других одговарајућих компоненти батерије. За конвенционалне електролите, егзотермни врхови узорака са 1 и 100 циклуса указују на то да ће старење традиционалног интерфејса смањити термичку стабилност. Насупрот томе, за перфлуоровани електролит, илустрације после 1 и 100 циклуса показују широке и благе егзотермне пикове, у складу са температуром окидача ТР (Т2). Резултати (Слика 1) су конзистентни, што указује на то да јак ЦЕИ може ефикасно да побољша термичку стабилност застарелог и одушевљеног НМЦ811 и других компоненти батерије.

Слика 3 Карактеризација одушевљене НМЦ811 позитивне електроде у перфлуорованом електролиту. (аб) СЕМ слике попречног пресека старе Ф-НМЦ811 позитивне електроде и одговарајуће ЕДС мапирање. (цх) Расподела елемената. (иј) СЕМ слика попречног пресека старе Ф-НМЦ811 позитивне електроде на виртуелном ки. (км) Реконструкција 3Д ФИБ-СЕМ структуре и просторни распоред Ф елемената.

Да би се потврдило формирање флуорисаног ЦЕИ које се може контролисати, морфологија попречног пресека и дистрибуција елемената застареле НМЦ811 позитивне електроде пронађене у стварној батерији меког паковања карактерише ФИБ-СЕМ (слика 3 ах). У перфлуорованом електролиту, на површини Ф-НМЦ811 се формира уједначен флуорисани ЦЕИ слој. Напротив, Ц-НМЦ811 у конвенционалном електролиту нема Ф и формира неуједначен ЦЕИ слој. Садржај Ф елемента на попречном пресеку Ф-НМЦ811 (слика 3х) је већи од садржаја Ц-НМЦ811, што даље доказује да је ин-ситу формирање неорганске флуорисане мезофазе кључ за одржавање стабилности одушевљеног НМЦ811 . Уз помоћ ФИБ-СЕМ и ЕДС мапирања, као што је приказано на слици 3м, приметио је многе Ф елементе у 3Д моделу на површини Ф-НМЦ811.

Слика 4а) Расподела дубине елемента на површини оригиналне и одушевљене НМЦ811 позитивне електроде. (ац) ФИБ-ТОФ-СИМС распршује дистрибуцију Ф, О и Ли елемената у позитивној електроди НМЦ811. (дф) Површинска морфологија и дистрибуција дубине Ф, О и Ли елемената НМЦ811.

ФИБ-ТОФ-СЕМ је даље открио дубину дистрибуције елемената на површини позитивне електроде НМЦ811 (Слика 4). У поређењу са оригиналним и Ц-НМЦ811 узорцима, значајно повећање Ф сигнала је пронађено у горњем површинском слоју Ф-НМЦ811 (слика 4а). Поред тога, слаби О и високи Ли сигнали на површини указују на формирање ЦЕИ слојева богатих Ф и Ли (Слика 4б, ц). Сви ови резултати су потврдили да Ф-НМЦ811 има ЦЕИ слој богат ЛиФ-ом. У поређењу са ЦЕИ Ц-НМЦ811, ЦЕИ слој Ф-НМЦ811 садржи више Ф и Ли елемената. Поред тога, као што је приказано на Фиг. 4д-ф, из перспективе дубине нагризања јона, структура оригиналног НМЦ811 је робустнија од оне одушевљеног НМЦ811. Дубина нагризања старог Ф-НМЦ811 је мања од Ц-НМЦ811, што значи да Ф-НМЦ811 има одличну структурну стабилност.

Слика 5 Хемијски састав ЦЕИ на површини позитивне електроде НМЦ811. (а) КСПС спектар ЦЕИ позитивне електроде НМЦ811. (бц) КСПС Ц1с и Ф1с спектри оригиналне и одушевљене НМЦ811 позитивне електроде ЦЕИ. (д) Криотрансмисиони електронски микроскоп: дистрибуција елемената Ф-НМЦ811. (е) Замрзнута ТЕМ слика ЦЕИ формирана на Ф-НМЦ81. (фг) СТЕМ-ХААДФ и СТЕМ-АБФ слике Ц-НМЦ811. (хи) СТЕМ-ХААДФ и СТЕМ-АБФ слике Ф-НМЦ811.

Они су користили КСПС за карактеризацију хемијског састава ЦЕИ у НМЦ811 (слика 5). За разлику од оригиналног Ц-НМЦ811, ЦЕИ Ф-НМЦ811 садржи велики Ф и Ли, али мањи Ц (Слика 5а). Смањење Ц врста указује да ЦЕИ богат ЛиФ може заштитити Ф-НМЦ811 смањењем трајних споредних реакција са електролитима (Слика 5б). Поред тога, мање количине ЦО и Ц=О указују на то да је солволиза Ф-НМЦ811 ограничена. У Ф1с спектру КСПС (Слика 5ц), Ф-НМЦ811 је показао моћан ЛиФ сигнал, потврђујући да ЦЕИ садржи велику количину ЛиФ добијеног из флуорованих растварача. Пресликавање Ф, О, Ни, Цо и Мн елемената у локалној области на честицама Ф-НМЦ811 показује да су детаљи равномерно распоређени као целина (Слика 5д). ТЕМ слика ниске температуре на слици 5е показује да ЦЕИ може деловати као заштитни слој који равномерно покрива позитивну електроду НМЦ811. Да би се даље потврдила структурна еволуција интерфејса, изведени су експерименти кружне трансмисионе електронске микроскопије са скенирањем тамног поља под великим углом (ХААДФ-СТЕМ и кружна трансмисиона електронска микроскопија светлог поља (АБФ-СТЕМ). За карбонатни електролит (Ц) -НМЦ811), Површина циркулишуће позитивне електроде је претрпела озбиљну промену фазе, а неуређена фаза камене соли се акумулира на површини позитивне електроде (Слика 5ф). За перфлуорисани електролит, површина Ф-НМЦ811 позитивна електрода одржава слојевиту структуру (Слика 5х), што указује на штетност. Фаза постаје ефективно потиснута. Поред тога, уочен је уједначен ЦЕИ слој на површини Ф-НМЦ811 (Слика 5и-г). Ови резултати додатно доказују униформност ЦЕИ слој на површини позитивне електроде НМЦ811 у перфлуорованом електролиту.

Слика 6а) ТОФ-СИМС спектар међуфазне фазе на површини НМЦ811 позитивне електроде. (ац) Детаљна анализа специфичних фрагмената другог јона на позитивној електроди НМЦ811. (дф) ТОФ-СИМС хемијски спектар другог фрагмента јона након 180 секунди прскања на оригиналу, Ц-НМЦ811 и Ф-НМЦ811.

Ц2Ф-фрагменти се генерално сматрају органским супстанцама ЦЕИ, а ЛиФ2- и ПО2-фрагменти се обично сматрају неорганским врстама. У експерименту су добијени значајно појачани сигнали ЛиФ2- и ПО2- (слика 6а, б), што указује да ЦЕИ слој Ф-НМЦ811 садржи велики број неорганских врста. Напротив, Ц2Ф-сигнал Ф-НМЦ811 је слабији од Ц-НМЦ811 (слика 6ц), што значи да ЦЕИ слој Ф-НМЦ811 садржи мање крхке органске врсте. Даља истраживања су открила (Слика 6д-ф) да у ЦЕИ Ф-НМЦ811 има више неорганских врста, док је у Ц-НМЦ811 мање неорганских врста. Сви ови резултати показују формирање чврстог неорганског богатог ЦЕИ слоја у перфлуорованом електролиту. У поређењу са НМЦ811/Гр меком батеријом која користи традиционални електролит, побољшање безбедности меке батерије која користи перфлуорисани електролит може се приписати следећем: Прво, ин ситу формирање ЦЕИ слоја богатог неорганским ЛиФ је корисно. Инхерентна термичка стабилност одушевљене НМЦ811 позитивне електроде смањује ослобађање кисеоника у решетки узроковано фазним прелазом; друго, чврсти неоргански ЦЕИ заштитни слој даље спречава да високо реактивни делитациони НМЦ811 дође у контакт са електролитом, смањујући егзотермну споредну реакцију; треће, перфлуоровани електролит има високу термичку стабилност на високим температурама.

Закључак и изглед

Овај рад је известио о развоју практичне Гр/НМЦ811 пуне батерије у облику врећице која користи перфлуоровани електролит, што је значајно побољшало њене безбедносне перформансе. Интринзична термичка стабилност. Детаљна студија механизма инхибиције ТР и корелације између материјала и нивоа батерије. Процес старења не утиче на температуру окидача ТР (Т2) батерије са перфлуорисаним електролитом током читаве олује, што има очигледне предности у односу на стару батерију која користи традиционални електролит. Поред тога, егзотермни врх је у складу са резултатима ТР, што указује да јак ЦЕИ доприноси термалној стабилности позитивне електроде без литијума и других компоненти батерије. Ови резултати показују да дизајн контроле на лицу места стабилног ЦЕИ слоја има важан водећи значај за практичну примену сигурнијих високоенергетских литијумских батерија.

Информације о литератури

Уграђене ултраконформне међуфазе омогућавају високобезбедне практичне литијумске батерије, материјали за складиштење енергије, 2021.

цлосе_вхите
близу

Напишите упит овде

одговорите у року од 6 сати, сва питања су добродошла!

    [цласс^="впформс-"]
    [цласс^="впформс-"]