ESM: Eadar-aghaidh ultra-cho-chòrdail de electrolyte perfluorinated airson bataraidhean lithium àrd-lùth practaigeach

Cùl-fhiosrachadh Rannsachaidh

Ann am bataraidhean lithium-ion, gus an amas de 350 Wh Kg-1 a choileanadh, bidh an stuth catod a’ cleachdadh ocsaid làn nicil (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, ris an canar NMCxyz). Le àrdachadh ann an dùmhlachd lùtha, tha na cunnartan co-cheangailte ri ruith teirmeach LIBn air aire dhaoine a tharraing. Bho shealladh stuthan, tha fìor dhuilgheadasan sàbhailteachd aig electrodan dearbhach làn nicil. A bharrachd air an sin, faodaidh oxidation / crosstalk de cho-phàirtean bataraidh eile, leithid lioftaichean organach agus electrodan àicheil, ruith teirmeach a bhrosnachadh, a thathas a’ meas mar phrìomh adhbhar duilgheadasan sàbhailteachd. Is e cruthachadh in-situ a ghabhas smachd air eadar-aghaidh electrode-electrolyte seasmhach am prìomh ro-innleachd airson an ath ghinealach de bataraidhean stèidhichte air lithium àrd-lùth. Gu sònraichte, faodaidh interphase catod-electrolyte (CEI) cruaidh agus dùmhail le co-phàirtean neo-organach seasmhachd teirmeach nas àirde fuasgladh fhaighinn air an duilgheadas sàbhailteachd le bhith a’ cur casg air ocsaidean a leigeil ma sgaoil. Gu ruige seo, tha gainnead rannsachaidh air stuthan atharraichte le catod CEI agus sàbhailteachd ìre bataraidh.

Taisbeanadh coileanaidh

O chionn ghoirid, dh'fhoillsich Feng Xuning, Wang Li, agus Ouyang Minggao bho Oilthigh Tsinghua pàipear rannsachaidh leis an tiotal "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" air Stuthan Stòraidh Cumhachd. Rinn an t-ùghdar measadh air coileanadh sàbhailteachd a’ bhataraidh làn phasgan bog NMC811/Gr agus seasmhachd teirmeach an electrode dearbhach CEI co-fhreagarrach. Chaidh sgrùdadh farsaing a dhèanamh air an uidheamachd cuir às do ruith teirmeach eadar an stuth agus am bataraidh pacaid bog. A’ cleachdadh electrolyte perfluorinated neo-lasanta, chaidh bataraidh làn seòrsa pouch NMC811/Gr ullachadh. Chaidh seasmhachd teirmeach NMC811 a leasachadh leis an ìre dìon CEI in-situ a tha beairteach ann an LiF neo-organach. Faodaidh an CEI de LiF lughdachadh gu h-èifeachdach air an sgaoileadh ocsaidean a dh’ adhbhraich an atharrachadh ìre agus casg a chuir air an ath-bhualadh exothermic eadar an NMC811 a tha air leth toilichte agus an electrolyte fluorinated.

Stiùireadh grafaigeach

Figear 1 Coimeas eadar feartan ruith teirmeach de bhataraidh làn seòrsa pouch NMC811/Gr a’ cleachdadh electrolyte perfluorinated agus electrolyte àbhaisteach. Às deidh aon chearcall de bhataraidhean làn seòrsa pouch electrolyte àbhaisteach (a) EC / EMC agus (b) perfluorinated FEC / FEMC / HFE. (c) Electrolysis gnàthach EC/EMC agus (d) bataraidh làn seòrsa pouch electrolyte perfluorinated FEC/FEMC/HFE aois às deidh 100 cearcall.

Airson bataraidh NMC811 / Gr le electrolyte traidiseanta às deidh aon chearcall (Figear 1a), tha T2 aig 202.5 ° C. Bidh T2 a’ tachairt nuair a thuiteas an bholtadh cuairt-fhosgailte. Ach, tha an T2 den bhataraidh a 'cleachdadh an electrolyte perfluorinated a' ruighinn 220.2 ° C (Figear 1b), a tha a 'sealltainn gum faod an electrolyte perfluorinated sàbhailteachd teirmeach a' bhataraidh a leasachadh gu ìre air sgàth a sheasmhachd teirmeach nas àirde. Mar a bhios am bataraidh ag aois, bidh luach T2 a’ bhataraidh electrolyte traidiseanta a’ tuiteam gu 195.2 ° C (Figear 1c). Ach, chan eil am pròiseas a tha a 'fàs nas sine a' toirt buaidh air T2 a 'bhataraidh a' cleachdadh electrolytes perfluorinated (Figear 1d). A bharrachd air an sin, tha an luach dT / dt as àirde den bhataraidh a’ cleachdadh an electrolyte traidiseanta rè TR cho àrd ri 113 ° C s-1, fhad ‘s nach eil am bataraidh a’ cleachdadh an electrolyte perfluorinated ach 32 ° C s-1. Faodar an eadar-dhealachadh ann an T2 de bhataraidhean a tha a’ fàs nas sine a thoirt air sgàth seasmhachd teirmeach gnèitheach NMC811 air leth toilichte, a tha air a lughdachadh fo electrolytes àbhaisteach, ach a dh’ fhaodar a chumail gu h-èifeachdach fo electrolytes perfluorinated.

Figear 2 Seasmhachd teirmeach delithiation electrode dearbhach NMC811 agus measgachadh bataraidh NMC811 / Gr. (A, b) Mapaichean contour de C-NMC811 agus F-NMC811 synchrotron àrd-lùth XRD agus na h-atharrachaidhean stùc sgaraidh co-fhreagarrach (003). (c) Giùlan teasachaidh is ogsaidean an electrode adhartach de C-NMC811 agus F-NMC811. (d) Lùb DSC de mheasgachadh sampall den electrode dearbhach toilichte, electrode àicheil lithiated, agus electrolyte.

Tha figearan 2a agus b a’ sealltainn na lùban HEXRD de NMC81 air leth toilichte le diofar shreathan CEI an làthair electrolytes àbhaisteach agus rè na h-ùine bho teòthachd an t-seòmair gu 600 ° C. Tha na toraidhean a’ sealltainn gu soilleir, ann an làthaireachd electrolyte, gu bheil còmhdach làidir CEI a’ toirt taic do sheasmhachd teirmeach a’ chatòid a tha air a thasgadh le lithium. Mar a chithear ann am Figear 2c, sheall aon F-NMC811 stùc exothermic nas slaodaiche aig 233.8 ° C, agus nochd stùc exothermic C-NMC811 aig 227.3 ° C. A bharrachd air an sin, tha an dian agus an ìre de sgaoileadh ocsaidean air adhbhrachadh le gluasad ìre C-NMC811 nas cruaidhe na an fheadhainn aig F-NMC811, a’ dearbhadh tuilleadh gu bheil CEI làidir a ’leasachadh seasmhachd teirmeach gnèitheach F-NMC811. Bidh Figear 2d a’ dèanamh deuchainn DSC air measgachadh de NMC811 air leth toilichte agus co-phàirtean bataraidh co-fhreagarrach eile. Airson electrolytes àbhaisteach, tha na stùcan exothermic de shamhlaichean le cearcallan 1 agus 100 a ’nochdadh gun lughdaich aois an eadar-aghaidh traidiseanta seasmhachd teirmeach. An coimeas ri sin, airson an electrolyte perfluorinated, tha na dealbhan às deidh cearcallan 1 agus 100 a’ nochdadh stùcan exothermic farsaing agus tlàth, a rèir an teòthachd brosnachaidh TR (T2). Tha na toraidhean (Figear 1) cunbhalach, a 'sealltainn gum faod an CEI làidir leasachadh èifeachdach a dhèanamh air seasmhachd teirmeach an NMC811 a tha aosta agus toilichte agus co-phàirtean bataraidh eile.

Figear 3 Comharrachadh electrode dearbhach NMC811 air leth toilichte anns an electrolyte perfluorinated. (ab) Ìomhaighean SEM tar-roinneil den electrode dearbhach F-NMC811 aois agus mapadh EDS co-fhreagarrach. (ch) Sgaoileadh eileamaid. (ij) Ìomhaigh SEM tar-roinneil den electrode dearbhach F-NMC811 aois air virtual xy. (km) Ath-thogail de structar 3D FIB-SEM agus cuairteachadh spàsail de eileamaidean F.

Gus dearbhadh gun deach smachd a chumail air CEI fluorinated, bha am morf-eòlas tar-roinneil agus cuairteachadh eileamaidean den electrode dearbhach NMC811 a chaidh fhaighinn air ais anns a ’bhataraidh pacaid bog fhèin air a chomharrachadh le FIB-SEM (Figear 3 ah). Anns an electrolyte perfluorinated, tha còmhdach CEI fluorinated èideadh air a chruthachadh air uachdar F-NMC811. Air an làimh eile, tha dìth F aig C-NMC811 anns an electrolyte àbhaisteach agus tha e a ’cruthachadh còmhdach CEI neo-chòmhnard. Tha susbaint eileamaid F air a’ chrois-earrann de F-NMC811 (Figear 3h) nas àirde na an ìre C-NMC811, a tha a’ dearbhadh tuilleadh gu bheil cruthachadh in-situ den mesophase fluorinated neo-organach na phrìomh dhòigh air seasmhachd NMC811 a chumail suas. . Le cuideachadh bho mhapadh FIB-SEM agus EDS, mar a chithear ann am Figear 3m, chunnaic e mòran eileamaidean F anns a’ mhodail 3D air uachdar F-NMC811.

Figear 4a) Sgaoileadh doimhneachd eileamaidean air uachdar an dealan-dealanach NMC811 tùsail agus air leth toilichte. (ac) Tha FIB-TOF-SIMS a’ spùtadh cuairteachadh eileamaidean F, O, agus Li ann an dealan dearbhach NMC811. (df) Morf-eòlas uachdar agus cuairteachadh doimhneachd eileamaidean F, O, agus Li de NMC811.

Nochd FIB-TOF-SEM tuilleadh cuairteachadh doimhneachd eileamaidean air uachdar an electrode dearbhach NMC811 (Figear 4). An coimeas ris na sampallan tùsail agus C-NMC811, chaidh àrdachadh mòr ann an comharra F a lorg anns an ìre uachdar as àirde de F-NMC811 (Figear 4a). A bharrachd air an sin, tha na comharran lag O agus àrd Li air an uachdar a’ nochdadh cruthachadh sreathan CEI beairteach F- agus Li (Figear 4b, c). Dhearbh na co-dhùnaidhean sin uile gu bheil còmhdach CEI làn LiF aig F-NMC811. An coimeas ri CEI de C-NMC811, tha barrachd eileamaidean F agus Li anns an ìre CEI de F-NMC811. A bharrachd air an sin, mar a chithear ann am FIGS. 4d-f, bho shealladh doimhneachd ionnaidh, tha structar an NMC811 tùsail nas làidire na structar an NMC811 a tha air leth toilichte. Tha doimhneachd etch aig aois F-NMC811 nas lugha na C-NMC811, a tha a’ ciallachadh gu bheil seasmhachd structarail sàr-mhath aig F-NMC811.

Figear 5 Co-dhèanamh ceimigeach CEI air uachdar an electrode dearbhach de NMC811. (a) Spectrum XPS de electrode dearbhach NMC811 CEI. (bc) speactra XPS C1s agus F1s den CEI electrode dearbhach NMC811 tùsail agus air leth toilichte. (d) Miocroscop dealanach cryo-transmission: cuairteachadh eileamaidean F-NMC811. (e) Ìomhaigh TEM reòta de CEI air a chruthachadh air F-NMC81. (fg) Ìomhaighean STEM-HAADF agus STEM-ABF de C-NMC811. (hi) Ìomhaighean STEM-HAADF agus STEM-ABF de F-NMC811.

Chleachd iad XPS gus co-dhèanamh ceimigeach CEI a chomharrachadh ann an NMC811 (Figear 5). Eu-coltach ris an C-NMC811 tùsail, tha F agus Li mòr ann an CEI de F-NMC811 ach C beag (Figear 5a). Tha lùghdachadh gnè C a 'sealltainn gum faod CEI beairteach LiF dìon a thoirt air F-NMC811 le bhith a' lùghdachadh na h-ath-bheachdan taobh seasmhach le electrolytes (Figear 5b). A bharrachd air an sin, tha meudan nas lugha de CO agus C = O a’ nochdadh gu bheil solvolysis F-NMC811 cuibhrichte. Anns an speactram F1s de XPS (Figear 5c), sheall F-NMC811 comharra LiF cumhachdach, a 'dearbhadh gu bheil CEI a' toirt a-steach mòran LiF a thàinig bho fhuasglaidhean flùranach. Tha mapadh nan eileamaidean F, O, Ni, Co, agus Mn san sgìre ionadail air na gràineanan F-NMC811 a’ sealltainn gu bheil am mion-fhiosrachadh air a chuairteachadh gu co-ionnan gu h-iomlan (Figear 5d). Tha an ìomhaigh TEM aig teòthachd ìosal ann am Figear 5e a’ sealltainn gum faod CEI a bhith na shreath dìon gus còmhdach èideadh a dhèanamh air dealan dearbhach NMC811. Gus tuilleadh dearbhaidh a dhèanamh air mean-fhàs structarail an eadar-aghaidh, chaidh deuchainnean microscopaidh dealanach tar-chuir sganadh raon dorcha àrd-cheàrnach (HAADF-STEM agus microscopaidh dealanach tar-chuir sganadh raon soilleir (ABF-STEM) a dhèanamh. Airson an electrolyte carbonate (C). -NMC811), Tha uachdar an electrode dearbhach a tha a’ cuairteachadh air a dhol tro atharrachadh ìre mòr, agus tha ìre salainn creige eas-òrdugh air a chruinneachadh air uachdar an electrode adhartach (Figear 5f) Airson an electrolyte perfluorinated, uachdar an F-NMC811 Bidh electrode dearbhach a’ cumail structar sreathach (Figear 5h), a’ nochdadh cronail Bidh an ìre a’ dol fodha gu h-èifeachdach. A bharrachd air an sin, chaidh còmhdach CEI èideadh fhaicinn air uachdar F-NMC811 (Figear 5i-g). Còmhdach CEI air uachdar electrode dearbhach NMC811 anns an electrolyte perfluorinated.

Figear 6a) Speactram TOF-SIMS den ìre eadar-roinneil air uachdar an dealan-deimhinneach NMC811. (ac) Mion-sgrùdadh air pìosan sònraichte dàrna ian air an dealan dearbhach NMC811. (df) Speactram ceimigeach TOF-SIMS den dàrna criomag ian às deidh 180 diog de sputtering air an fhear thùsail, C-NMC811 agus F-NMC811.

Tha pìosan C2F mar as trice air am meas mar stuthan organach CEI, agus mar as trice bithear a’ coimhead air pìosan LiF2- agus PO2 mar ghnè neo-organach. Chaidh comharran leasaichte gu mòr de LiF2- agus PO2- fhaighinn anns an deuchainn (Figear 6a, b), a’ nochdadh gu bheil àireamh mhòr de ghnèithean neo-organach anns an ìre CEI de F-NMC811. Air an làimh eile, tha an comharra C2F de F-NMC811 nas laige na an C-NMC811 (Figear 6c), a tha a 'ciallachadh gu bheil gnèithean organach nach eil cho cugallach anns an ìre CEI de F-NMC811. Lorg tuilleadh sgrùdaidh (Figear 6d-f) gu bheil barrachd ghnèithean neo-organach anns an CEI de F-NMC811, fhad ‘s a tha nas lugha de ghnèithean neo-organach ann an C-NMC811. Tha na co-dhùnaidhean sin uile a’ sealltainn gu bheil còmhdach cruaidh CEI làn inorganic air a chruthachadh anns an electrolyte perfluorinated. An coimeas ri bataraidh pacaid bog NMC811/Gr a’ cleachdadh electrolyte traidiseanta, faodar leasachadh sàbhailteachd a’ bhataraidh pacaid bog le bhith a’ cleachdadh electrolyte perfluorinated a thoirt air: An toiseach, tha cruthachadh còmhdach CEI in-situ làn de LiF neo-organach buannachdail. Tha seasmhachd teirmeach gnèitheach an electrode dearbhach NMC811 a tha air leth toilichte a’ lughdachadh sgaoileadh ocsaidean leusair air adhbhrachadh le gluasad ìre; san dàrna h-àite, tha an còmhdach dìon CEI neo-organach làidir a’ cur casg air an delithiation fìor reactive NMC811 bho bhith a’ conaltradh ris an electrolyte, a’ lughdachadh freagairt taobh exothermic; san treas àite, Tha seasmhachd teirmeach àrd aig an electrolyte perfluorinated aig teòthachd àrd.

Co-dhùnadh agus Outlook

Thug an obair seo cunntas air leasachadh bataraidh làn seòrsa pouch Gr/NMC811 a’ cleachdadh electrolyte perfluorinated, a leasaich gu mòr an coileanadh sàbhailteachd aige. Seasmhachd teirmeach bunaiteach. Sgrùdadh domhainn air uidheamachd casg TR agus an dàimh eadar stuthan agus ìrean bataraidh. Chan eil am pròiseas a tha a’ fàs nas sine a’ toirt buaidh air teòthachd brosnachaidh TR (T2) den bhataraidh electrolyte perfluorinated rè an stoirm gu lèir, aig a bheil buannachdan follaiseach thairis air a’ bhataraidh a tha a’ fàs nas sine a’ cleachdadh an electrolyte traidiseanta. A bharrachd air an sin, tha an stùc exothermic co-chòrdail ri toraidhean TR, a’ nochdadh gu bheil an CEI làidir a ’toirt taic do sheasmhachd teirmeach an electrode dearbhach gun lithium agus co-phàirtean bataraidh eile. Tha na co-dhùnaidhean sin a’ sealltainn gu bheil brìgh stiùiridh cudromach aig dealbhadh smachd in-situ den ìre seasmhach CEI airson a bhith a’ cleachdadh bataraidhean lithium àrd-lùth nas sàbhailte.

Fiosrachadh litreachais

Bidh eadar-ìrean Ultraconformal a-staigh a’ comasachadh Bataraidhean Lithium Practaigeach Àrd-shàbhailteachd, Stuthan Stòraidh Cumhachd, 2021.