ESM: Antarbeungeut ultra-konformal tina éléktrolit perfluorinated pikeun batré litium énérgi tinggi praktis

Latar Panilitian

Dina batré litium-ion, pikeun ngahontal tujuan 350 Wh Kg-1, bahan katoda ngagunakeun oksida lapisan anu beunghar nikel (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, disebut NMCxyz). Kalayan paningkatan dénsitas énergi, bahaya anu aya hubunganana sareng pelarian termal LIB parantos narik perhatian masarakat. Tina sudut pandang bahan, éléktroda positip anu beunghar nikel ngagaduhan masalah kaamanan anu serius. Sajaba ti éta, oksidasi / crosstalk komponén batré séjén, kayaning cair organik jeung éléktroda négatip, ogé bisa memicu runaway termal, nu dianggap ngabalukarkeun ngarah tina masalah kaamanan. Formasi di-situ anu tiasa dikontrol tina antarbeungeut éléktroda-éléktrolit anu stabil mangrupikeun strategi utama pikeun generasi batré dumasar litium-énergi-dénsitas luhur. Husus, interphase katoda-éléktrolit (CEI) padet sareng padet sareng komponén anorganik stabilitas termal anu langkung luhur tiasa ngarengsekeun masalah kaamanan ku cara ngahambat sékrési oksigén. Sajauh ieu, kurangna panalungtikan ngeunaan bahan anu dirobih katoda CEI sareng kaamanan tingkat batré.

Pintonan prestasi

Anyar-anyar ieu, Feng Xuning, Wang Li, sareng Ouyang Minggao ti Universitas Tsinghua medalkeun makalah panalungtikan anu judulna "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" dina Bahan Panyimpenan Energi. Panulis dievaluasi kinerja kaamanan NMC811 praktis / Gr lemes-dipak batré pinuh jeung stabilitas termal tina éléktroda positif CEI pakait. Mékanisme suprési runaway termal antara bahan sareng batré bungkus lemes parantos ditaliti sacara komprehensif. Ngagunakeun éléktrolit perfluorinated non-flammable, hiji NMC811 / Gr pouch-tipe batré pinuh disiapkeun. Stabilitas termal NMC811 ditingkatkeun ku lapisan pelindung CEI anu diwangun di-situ anu beunghar ku LiF anorganik. CEI of LiF sacara efektif tiasa ngirangan sékrési oksigén anu disababkeun ku parobihan fase sareng ngahambat réaksi éksotermik antara NMC811 anu pikaresepeun sareng éléktrolit fluorinated.

pituduh grafik

angka 1 Babandingan ciri runaway termal praktis NMC811 / Gr pouch-tipe batré pinuh ngagunakeun éléktrolit perfluorinated jeung éléktrolit konvensional. Saatos hiji siklus tradisional (a) EC / EMC jeung (b) FEC / FEMC / HFE éléktrolit perfluorinated tipe pouch accu pinuh. (c) EC / EMC éléktrolisis konvensional sarta (d) perfluorinated FEC / FEMC / HFE éléktrolit pouch-tipe batré pinuh yuswa sanggeus 100 siklus.

Pikeun batré NMC811/Gr kalawan éléktrolit tradisional sanggeus hiji siklus (Gambar 1a), T2 nyaeta dina 202.5 ​​° C. T2 lumangsung nalika tegangan buka-circuit turun. Sanajan kitu, T2 batré ngagunakeun éléktrolit perfluorinated ngahontal 220.2 ° C (Gambar 1b), nu nunjukeun yen éléktrolit perfluorinated bisa ningkatkeun kasalametan termal alamiah batré ka extent tangtu alatan stabilitas termal na luhur. Nalika umur batré, nilai T2 tina batré éléktrolit tradisional turun ka 195.2 °C (Gambar 1c). Sanajan kitu, prosés sepuh teu mangaruhan T2 batré ngagunakeun éléktrolit perfluorinated (Gambar 1d). Sajaba ti éta, nilai maksimum dT/dt batré ngagunakeun éléktrolit tradisional salila TR saluhur 113 ° C s-1, sedengkeun batré ngagunakeun éléktrolit perfluorinated ngan 32 ° C s-1. Beda dina T2 tina accu sepuh bisa attributed ka stabilitas termal alamiah NMC811 delighted, nu diréduksi dina éléktrolit konvensional, tapi bisa éféktif dijaga dina éléktrolit perfluorinated.

angka 2 stabilitas termal delithiation NMC811 éléktroda positif sarta NMC811 / campuran batré Gr. (A, b) Peta kontur C-NMC811 sareng F-NMC811 synchrotron XRD énergi tinggi sareng parobahan puncak difraksi (003) anu pakait. (c) Paripolah pemanasan sareng pelepasan oksigén tina éléktroda positif C-NMC811 sareng F-NMC811. (d) Kurva DSC campuran sampel tina éléktroda positif delighted, éléktroda négatip lithiated, jeung éléktrolit.

Angka 2a sareng b nunjukkeun kurva HEXRD tina NMC81 anu pikaresepeun kalayan lapisan CEI anu béda dina ayana éléktrolit konvensional sareng salami periode ti suhu kamar dugi ka 600 ° C. Hasilna jelas nunjukkeun yén ku ayana éléktrolit, lapisan CEI anu kuat kondusif pikeun stabilitas termal katoda anu disimpen litium. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 2c, hiji F-NMC811 tunggal némbongkeun puncak exothermic laun dina 233.8 ° C, sedengkeun C-NMC811 puncak exothermic mucunghul dina 227.3 ° C. Salaku tambahan, inténsitas sareng laju pelepasan oksigén disababkeun ku transisi fase C-NMC811 langkung parah tibatan F-NMC811, teras mastikeun yén CEI anu kuat ningkatkeun stabilitas termal alami F-NMC811. Gambar 2d ngalaksanakeun tés DSC dina campuran NMC811 anu pikaresepeun sareng komponén batré anu sanés. Pikeun éléktrolit konvensional, puncak exothermic sampel kalawan 1 jeung 100 siklus nunjukkeun yén sepuh tina panganteur tradisional bakal ngurangan stabilitas termal. Kontras, pikeun éléktrolit perfluorinated, ilustrasi sanggeus 1 jeung 100 siklus némbongkeun puncak éksotermik lega tur hampang, luyu jeung suhu pemicu TR (T2). Hasilna (gambar 1) konsisten, nunjukkeun yén CEI anu kuat sacara efektif tiasa ningkatkeun stabilitas termal tina NMC811 yuswa sareng gumbira sareng komponén batré anu sanés.

angka 3 Characterization of delighted NMC811 éléktroda positif dina éléktrolit perfluorinated. (ab) Gambar SEM cross-sectional tina umur F-NMC811 éléktroda positip sareng pemetaan EDS anu saluyu. (ch) Distribusi unsur. (ij) Cross-sectional SEM gambar tina umur F-NMC811 éléktroda positif dina xy virtual. (km) Rekonstruksi 3D FIB-SEM struktur jeung distribusi spasial elemen F.

Pikeun mastikeun formasi controllable of CEI fluorinated, morfologi cross-sectional jeung distribusi unsur éléktroda positif NMC811 yuswa pulih dina batré lemes-pak sabenerna dicirikeun ku FIB-SEM (Gambar 3 ah). Dina éléktrolit perfluorinated, lapisan CEI fluorinated seragam kabentuk dina beungeut F-NMC811. Sabalikna, C-NMC811 dina éléktrolit konvensional lacks F sarta ngabentuk hiji lapisan CEI henteu rata. Eusi unsur F dina cross-bagian F-NMC811 (Gambar 3h) leuwih luhur batan C-NMC811, nu salajengna ngabuktikeun yén formasi in-situ tina mesophase fluorinated anorganik mangrupakeun konci pikeun ngajaga stabilitas NMC811 delighted. . Kalayan bantuan pemetaan FIB-SEM na EDS, ditémbongkeun saperti dina Gambar 3m, éta observasi loba elemen F dina modél 3D dina beungeut F-NMC811.

angka 4a) Sebaran jero unsur dina beungeut éléktroda positif NMC811 aslina tur delighted. (ac) FIB-TOF-SIMS sputtering distribusi F, O, jeung elemen Li dina éléktroda positif NMC811. (df) Morfologi permukaan jeung distribusi jero unsur F, O, jeung Li NMC811.

FIB-TOF-SEM salajengna ngungkabkeun sebaran jero elemen dina beungeut éléktroda positif NMC811 (gambar 4). Dibandingkeun sareng conto asli sareng C-NMC811, paningkatan anu signifikan dina sinyal F kapanggih dina lapisan permukaan luhur F-NMC811 (Gambar 4a). Sajaba ti éta, lemah O jeung sinyal Li tinggi dina beungeut cai nunjukkeun formasi F- jeung Li-euyeub CEI lapisan (Gambar 4b, c). Hasil ieu sadayana dikonfirmasi yén F-NMC811 ngagaduhan lapisan CEI anu beunghar LiF. Dibandingkeun sareng CEI C-NMC811, lapisan CEI F-NMC811 ngandung langkung seueur elemen F sareng Li. Sajaba ti éta, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 4d-f, tina sudut pandang jero etching ion, struktur NMC811 asli langkung kuat tibatan NMC811 anu pikaresepeun. Jero etch umur F-NMC811 leuwih leutik batan C-NMC811, nu hartina F-NMC811 boga stabilitas struktural alus teuing.

Angka 5 komposisi kimia CEI dina beungeut éléktroda positif NMC811. (a) XPS spéktrum NMC811 éléktroda positif CEI. (BC) XPS C1s na F1s spéktra tina aslina tur delighted NMC811 éléktroda positif CEI. (d) Cryo-transmisi mikroskop éléktron: distribusi unsur F-NMC811. (e) Gambar TEM beku CEI kabentuk dina F-NMC81. (fg) STEM-HAADF sareng STEM-ABF gambar C-NMC811. (hi) STEM-HAADF sareng STEM-ABF gambar F-NMC811.

Aranjeunna nganggo XPS pikeun ciri komposisi kimia CEI di NMC811 (gambar 5). Beda sareng C-NMC811 asli, CEI F-NMC811 ngandung F sareng Li ageung tapi minor C (Gambar 5a). Pangurangan spésiés C nunjukkeun yén CEI anu beunghar LiF tiasa ngajagi F-NMC811 ku cara ngirangan réaksi samping anu tetep sareng éléktrolit (Gambar 5b). Sajaba ti éta, jumlah leutik CO jeung C = O nunjukkeun yén solvolysis of F-NMC811 diwatesan. Dina spéktrum F1s of XPS (Gambar 5c), F-NMC811 némbongkeun sinyal LiF kuat, confirming yén CEI ngandung jumlah badag LiF diturunkeun tina pangleyur fluorinated. Pemetaan unsur F, O, Ni, Co, jeung Mn di wewengkon lokal dina partikel F-NMC811 nunjukeun yen rinci anu disebarkeun seragam sakabéhna (Gambar 5d). Gambar TEM-suhu low dina Gambar 5e nunjukeun yen CEI bisa meta salaku lapisan pelindung pikeun seragam nutupan éléktroda positif NMC811. Pikeun langkung mastikeun évolusi struktural antarbeungeut, ékspérimén éléktron transmisi scanning médan poék sirkular sudut luhur (HAADF-STEM sareng mikroskop éléktron transmisi scanning médan terang-terang sirkular (ABF-STEM) dilaksanakeun pikeun éléktrolit karbonat (C). -NMC811), Beungeut éléktroda positif sirkulasi geus undergone parobahan fase parna, sarta fase uyah batu disordered ieu akumulasi dina beungeut éléktroda positif (Gambar 5f) Pikeun éléktrolit perfluorinated, beungeut F-NMC811. éléktroda positif mertahankeun struktur layered (Gambar 5h), nunjukkeun ngabahayakeun Fase jadi éféktif diteken. Sajaba ti éta, lapisan CEI seragam ieu observasi dina beungeut F-NMC811 (Gambar 5i-g). Hasil ieu salajengna ngabuktikeun uniformity tina Lapisan CEI dina permukaan éléktroda positif NMC811 dina éléktrolit perfluorinated.

angka 6a) TOF-SIMS spéktrum fase interphase dina beungeut éléktroda positif NMC811. (ac) Analisis jero fragmen ion kadua husus dina éléktroda positif NMC811. (df) TOF-SIMS spéktrum kimiawi sempalan ion kadua sanggeus 180 detik sputtering dina aslina, C-NMC811 jeung F-NMC811.

C2F-fragmen umumna dianggap zat organik CEI, sarta LiF2- jeung PO2-fragmen biasana dianggap salaku spésiés anorganik. Sinyal ditingkatkeun sacara signifikan tina LiF2- sareng PO2- dicandak dina percobaan (Gambar 6a, b), nunjukkeun yén lapisan CEI F-NMC811 ngandung sajumlah ageung spésiés anorganik. Sabalikna, C2F-sinyal F-NMC811 leuwih lemah batan C-NMC811 (Gambar 6c), nu hartina lapisan CEI F-NMC811 ngandung spésiés organik kirang rapuh. Panalungtikan salajengna kapanggih (Gambar 6d-f) yén aya leuwih spésiés anorganik dina CEI of F-NMC811, bari aya sababaraha spésiés anorganik dina C-NMC811. Sadaya hasil ieu nunjukkeun kabentukna lapisan CEI anu beunghar anorganik padet dina éléktrolit perfluorinated. Dibandingkeun jeung NMC811/Gr batré lemes-pak maké éléktrolit tradisional, pamutahiran kaamanan tina batré lemes-pak maké éléktrolit perfluorinated bisa attributed ka: Kahiji, formasi di-situ tina lapisan CEI euyeub di LiF anorganik mangpaatna. stabilitas termal alamiah tina éléktroda positif NMC811 delighted ngurangan sékrési oksigén kisi disababkeun ku transisi fase; Bréh, lapisan pelindung CEI anorganik padet salajengna nyegah delithiation kacida réaktif NMC811 ti kontak éléktrolit nu, ngurangan réaksi samping exothermic; katilu, The éléktrolit perfluorinated boga stabilitas termal tinggi dina suhu luhur.

Kacindekan jeung Outlook

Karya ieu ngalaporkeun ngembangkeun batré pinuh Gr / NMC811 pouch-tipe praktis ngagunakeun éléktrolit perfluorinated, nu nyata ningkat kinerja kaamanan na. Stabilitas termal intrinsik. Ulikan anu jero ngeunaan mékanisme inhibisi TR sareng korelasi antara bahan sareng tingkat batré. Prosés sepuh teu mangaruhan suhu pemicu TR (T2) tina batré éléktrolit perfluorinated salila sakabéh badai, nu boga kaunggulan atra leuwih batré sepuh ngagunakeun éléktrolit tradisional. Salaku tambahan, puncak exothermic konsisten sareng hasil TR, nunjukkeun yén CEI anu kuat kondusif pikeun stabilitas termal tina éléktroda positip bébas litium sareng komponén batré anu sanés. Hasil ieu nunjukeun yen desain kontrol in-situ tina lapisan CEI stabil boga significance guiding penting pikeun aplikasi praktis batré litium-énergi tinggi aman.

Émbaran literatur

Interphase Ultraconformal Diwangun Ngaktifkeun Batré Litium Praktis Kaamanan Luhur, Bahan Panyimpen Énergi, 2021.