ESM: Ynboude ultra-konforme ynterface fan perfluorearre elektrolyt foar praktyske hege-enerzjy lithiumbatterijen

Undersykseftergrûn

Yn lithium-ion-batterijen, om it doel fan 350 Wh Kg-1 te berikken, brûkt it katodemateriaal nikkelryk laach okside (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, neamd NMCxyz). Mei de tanimming fan enerzjytichtens hawwe de gefaren relatearre oan thermyske runaway fan LIB's de oandacht fan minsken lutsen. Fanút in materieel perspektyf hawwe nikkelrike positive elektroden serieuze feiligensproblemen. Derneist kin oksidaasje / crosstalk fan oare batterijkomponinten, lykas organyske floeistoffen en negative elektroden, ek thermyske runaway útlizze, wat wurdt beskôge as de liedende oarsaak fan feiligensproblemen. De in-situ kontrolearbere formaasje fan in stabile elektrode-elektrolyt-ynterface is de primêre strategy foar de folgjende generaasje fan hege-enerzjy-tichtens lithium-basearre batterijen. Spesifyk kin in fêste en dichte kathode-elektrolyt-ynterfase (CEI) mei hegere thermyske stabiliteit anorganyske komponinten it feiligensprobleem oplosse troch de frijlitting fan soerstof te remmen. Oant no is d'r in tekoart oan ûndersyk nei CEI kathode-modifisearre materialen en feiligens op batterijnivo.

Prestaasje werjefte

Koartlyn publisearren Feng Xuning, Wang Li en Ouyang Minggao fan Tsinghua University in ûndersykspapier mei de titel "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" on Energy Storage Materials. De skriuwer evaluearre de feiligensprestaasjes fan 'e praktyske NMC811 / Gr soft-packed folsleine batterij en de thermyske stabiliteit fan' e oerienkommende CEI positive elektrodes. It meganisme foar ûnderdrukking fan thermyske runaway tusken it materiaal en de sêfte pakbatterij is wiidweidich studearre. Mei help fan in net-flammable perfluorinated electrolyte, in NMC811 / Gr pouch-type folsleine batterij waard taret. De termyske stabiliteit fan NMC811 waard ferbettere troch de in-situ foarme CEI beskermjende laach ryk oan anorganyske LiF. De CEI fan LiF kin effektyf de soerstof frijlitting feroarsaakje troch de fazeferoaring en remme de exothermyske reaksje tusken de bliid NMC811 en de fluorinearre elektrolyt.

Grafyske gids

figuer 1 Ferliking fan termyske runaway skaaimerken fan praktyske NMC811 / Gr pouch-type folsleine batterij mei help fan perfluorinated electrolyte en konvinsjonele electrolyte. Nei ien syklus fan tradisjonele (a) EC / EMC en (b) perfluorinated FEC / FEMC / HFE electrolyte pouch type folsleine batterijen. (c) Konvinsjonele EC / EMC electrolysis en (d) perfluorinated FEC / FEMC / HFE electrolyte pouch-type folsleine batterij aged nei 100 cycles.

Foar de NMC811 / Gr-batterij mei tradisjonele elektrolyt nei ien syklus (figuer 1a), is T2 op 202.5 ​​° C. T2 komt foar as de iepen-circuit spanning sakket. De T2 fan 'e batterij dy't de perfluorinearre elektrolyt brûkt, berikt lykwols 220.2 ° C (figuer 1b), wat lit sjen dat de perfluorinearre elektrolyt de ynherinte thermyske feiligens fan' e batterij oant in bepaalde mjitte kin ferbetterje troch syn hegere thermyske stabiliteit. As de batterij âlder wurdt, sakket de T2-wearde fan 'e tradisjonele elektrolytbatterij nei 195.2 ° C (figuer 1c). It ferâlderingsproses hat lykwols gjin ynfloed op de T2 fan 'e batterij mei perfluorinearre elektrolyten (figuer 1d). Dêrneist is de maksimale dT / dt wearde fan de batterij mei help fan de tradisjonele electrolyte tidens TR is sa heech as 113 ° C s-1, wylst de batterij mei help fan de perfluorinated electrolyte is mar 32 ° C s-1. It ferskil yn T2 fan ferâldere batterijen kin wurde taskreaun oan de ynherinte termyske stabiliteit fan bliid NMC811, dat wurdt fermindere ûnder konvinsjonele electrolytes, mar kin effektyf ûnderhâlden ûnder perfluorinated electrolytes.

figuer 2 Thermal stabiliteit fan delithiation NMC811 positive elektrodes en NMC811 / Gr batterij mingsel. (A, b) Kontur kaarten fan C-NMC811 en F-NMC811 synchrotron hege-enerzjy XRD en de oerienkommende (003) diffraksjonspyk feroarings. (c) De ferwaarming en soerstof release gedrach fan de positive elektrodes fan C-NMC811 en F-NMC811. (d) DSC-kromme fan monstermingsel fan 'e bliid positive elektrode, lithiated negative elektrode, en elektrolyt.

Figuren 2a en b litte de HEXRD-kurven sjen fan bliid NMC81 mei ferskate CEI-lagen yn 'e oanwêzigens fan konvinsjonele elektrolyten en yn' e perioade fan keamertemperatuer oant 600 ° C. De resultaten litte dúdlik sjen dat yn 'e oanwêzigens fan in elektrolyt in sterke CEI-laach befoarderlik is foar de termyske stabiliteit fan' e lithium-deponearre kathode. Lykas werjûn yn figuer 2c, toande in inkele F-NMC811 in stadiger exothermic pyk by 233.8 ° C, wylst de C-NMC811 exothermic pyk ferskynde op 227.3 ° C. Dêrneist binne de yntinsiteit en taryf fan soerstof frijlitting feroarsake troch de faze oergong fan C-NMC811 slimmer as dy fan F-NMC811, fierder befêstiget dat robúst CEI ferbettert de ynherinte termyske stabiliteit fan F-NMC811. Figuer 2d fiert in DSC-test op in mingsel fan bliid NMC811 en oare oerienkommende batterijkomponinten. Foar konvinsjonele elektrolyten jouwe de eksotermyske peaks fan samples mei 1 en 100 syklusen oan dat de fergrizing fan 'e tradisjonele ynterface de termyske stabiliteit sil ferminderje. Yn tsjinstelling, foar de perfluorinated electrolyte, de yllustraasjes nei 1 en 100 syklusen litte brede en mylde exothermic peaks, yn oerienstimming mei de TR trigger temperatuer (T2). De resultaten (figuer 1) binne konsekwint, wat oanjout dat de sterke CEI de thermyske stabiliteit fan 'e âldere en bliid NMC811 en oare batterijkomponinten effektyf ferbetterje kin.

figuer 3 Karakterisaasje fan bliid NMC811 positive elektrodes yn de perfluorinated electrolyte. (ab) Cross-sectional SEM-ôfbyldings fan 'e âldere F-NMC811 positive elektrodes en oerienkommende EDS-mapping. (ch) Element ferdieling. (ij) Cross-sectional SEM-ôfbylding fan 'e âlde F-NMC811 positive elektrode op firtuele xy. (km) Rekonstruksje fan 3D FIB-SEM struktuer en romtlike ferdieling fan F eleminten.

Om de kontrolearbere formaasje fan fluorinearre CEI te befestigjen, waarden de dwerstrochsneedlike morfology en elemintferdieling fan 'e âldere NMC811 positive elektrodes weromfûn yn' e eigentlike soft-pack-batterij karakterisearre troch FIB-SEM (figuer 3 ah). Yn de perfluorinated electrolyte wurdt in unifoarm fluorinated CEI laach foarme op it oerflak fan F-NMC811. Krektoarsom, C-NMC811 yn 'e konvinsjonele electrolyte mist F en foarmet in uneven CEI laach. De ynhâld fan F-eleminten op 'e dwerstrochsneed fan F-NMC811 (figuer 3h) is heger as dy fan C-NMC811, wat fierder bewiist dat de in-situ-formaasje fan' e anorganyske fluorinearre mesofase de kaai is foar it behâld fan 'e stabiliteit fan bliid NMC811 . Mei help fan FIB-SEM- en EDS-mapping, lykas werjûn yn figuer 3m, observearre it in protte F-eleminten yn it 3D-model op it oerflak fan F-NMC811.

figuer 4a) Element djipte ferdieling op it oerflak fan 'e oarspronklike en bliid NMC811 positive elektrodes. (ac) FIB-TOF-SIMS sputtert de ferdieling fan F-, O- en Li-eleminten yn 'e positive elektrode fan NMC811. (df) De oerflakmorfology en djipteferdieling fan F-, O- en Li-eleminten fan NMC811.

FIB-TOF-SEM iepenbiere fierder de djipte ferdieling fan eleminten op it oerflak fan de positive elektrodes fan NMC811 (figuer 4). Yn ferliking mei de orizjinele en C-NMC811-samples waard in signifikante ferheging fan F-sinjaal fûn yn 'e boppeste oerflaklaach fan F-NMC811 (figuer 4a). Derneist jouwe de swakke O- en hege Li-sinjalen op it oerflak de formaasje fan F- en Li-rike CEI-lagen oan (figuer 4b, c). Dizze resultaten befêstige allegear dat F-NMC811 in LiF-rike CEI-laach hat. Yn ferliking mei de CEI fan C-NMC811 befettet de CEI-laach fan F-NMC811 mear F- en Li-eleminten. Dêrneist, lykas werjûn yn Fig. 4d-f, út it perspektyf fan ion-etsdjipte, is de struktuer fan 'e orizjinele NMC811 robúster dan dy fan' e bliid NMC811. De ets djipte fan aged F-NMC811 is lytser as C-NMC811, wat betsjut dat F-NMC811 hat poerbêst strukturele stabiliteit.

figuer 5 CEI gemyske gearstalling op it oerflak fan de positive elektrodes fan NMC811. (a) XPS spektrum fan NMC811 positive elektrodes CEI. (bc) XPS C1s en F1s spektra fan de oarspronklike en bliid NMC811 positive elektrodes CEI. (d) Kryo-transmission elektronmikroskoop: elemintferdieling fan F-NMC811. (e) Frozen TEM-ôfbylding fan CEI foarme op F-NMC81. (fg) STEM-HAADF- en STEM-ABF-ôfbyldings fan C-NMC811. (hi) STEM-HAADF- en STEM-ABF-ôfbyldings fan F-NMC811.

Se brûkten XPS om de gemyske gearstalling fan CEI yn NMC811 te karakterisearjen (figuer 5). Oars as de orizjinele C-NMC811, befettet de CEI fan F-NMC811 in grutte F en Li mar lytse C (figuer 5a). De reduksje fan C-soarten jout oan dat LiF-rike CEI F-NMC811 kin beskermje troch it ferminderjen fan de oanhâldende side-reaksjes mei elektrolyten (figuer 5b). Derneist jouwe lytsere hoemannichten CO en C=O oan dat de solvolysis fan F-NMC811 beheind is. Yn it F1s-spektrum fan XPS (figuer 5c) toande F-NMC811 in krêftich LiF-sinjaal, wat befêstiget dat CEI in grutte hoemannichte LiF befettet ôflaat fan fluorinearre solvents. It yn kaart bringen fan de F-, O-, Ni-, Co- en Mn-eleminten yn it lokale gebiet op 'e F-NMC811-dieltsjes lit sjen dat de details as gehiel unifoarm ferdield binne (figuer 5d). De lege temperatuer TEM-ôfbylding yn figuer 5e lit sjen dat CEI kin fungearje as in beskermjende laach om de NMC811 positive elektrodes unifoarm te dekken. Om de strukturele evolúsje fan 'e ynterface fierder te befêstigjen, waarden eksperiminten útfierd mei hege hoeke sirkulêre tsjustere fjild skennen transmissieelektronenmikroskopy (HAADF-STEM en sirkulêre helderfjild skennen transmissieelektronenmikroskopy (ABF-STEM). Foar de karbonaatelektrolyt (C) -NMC811), It oerflak fan 'e sirkulearjende positive elektrode hat in swiere fazeferoaring ûndergien, en op it oerflak fan' e positive elektrode wurdt in steurde stiensaltfaze sammele (figuer 5f). Foar de perfluorinearre elektrolyt is it oerflak fan 'e F-NMC811 positive elektrode behâldt in layered struktuer (figuer 5h), wat oanjout skealik De faze wurdt effektyf ûnderdrukt. Dêrneist, in unifoarm CEI laach waard waarnommen op it oerflak fan F-NMC811 (figuer 5i-g). Dizze resultaten fierder bewize de uniformiteit fan de CEI laach op de positive elektrodes oerflak fan NMC811 yn de perfluorinated electrolyte.

figuer 6a) TOF-SIMS spektrum fan de interphase faze op it oerflak fan de NMC811 positive elektrodes. (ac) Djipte analyze fan spesifike twadde ion fragminten op de positive elektrodes fan NMC811. (df) TOF-SIMS gemysk spektrum fan de twadde ion fragmint nei 180 sekonden fan sputtering op it orizjineel, C-NMC811 en F-NMC811.

C2F-fragminten wurde algemien beskôge as organyske stoffen fan CEI, en LiF2- en PO2-fragminten wurde meastentiids beskôge as anorganyske soarten. Signifikant ferbettere sinjalen fan LiF2- en PO2- waarden krigen yn it eksperimint (figuer 6a, b), wat oanjout dat de CEI-laach fan F-NMC811 in grut oantal anorganyske soarten befettet. Krektoarsom, it C2F-sinjaal fan F-NMC811 is swakker as dat fan C-NMC811 (figuer 6c), wat betsjut dat de CEI-laach fan F-NMC811 minder fragile organyske soarten befettet. Fierder ûndersyk fûn (figuer 6d-f) dat d'r mear anorganyske soarten binne yn 'e CEI fan F-NMC811, wylst d'r minder anorganyske soarten binne yn C-NMC811. Al dizze resultaten litte de formaasje sjen fan in fêste anorganyske rike CEI-laach yn 'e perfluorinearre elektrolyt. Yn ferliking mei de NMC811 / Gr soft-pack batterij mei help fan in tradisjonele electrolyte, de feiligens ferbettering fan de soft-pack batterij mei help fan perfluorinated electrolyte kin wurde taskreaun oan: As earste, de in-situ formaasje fan in CEI laach ryk oan anorganyske LiF is foardielich. De ynherinte termyske stabiliteit fan 'e bliid NMC811 positive elektrodes ferminderet de frijlitting fan lattice soerstof feroarsake troch faze oergong; twadde, de fêste anorganyske CEI beskermjende laach fierder foarkomt de tige reaktive delithiation NMC811 út kontakt op mei de electrolyte, it ferminderjen fan de exothermic kant reaksje; tredde, De perfluorinated electrolyte hat hege termyske stabiliteit by hege temperatueren.

Fermelding en Outlook

Dit wurk rapportearre de ûntwikkeling fan in praktyske Gr / NMC811 pouch-type folsleine batterij mei help fan in perfluorinated electrolyte, dy't gâns ferbettere syn feiligens prestaasjes. Intrinsike termyske stabiliteit. In yngeande stúdzje fan it TR-ynhibysjemeganisme en de korrelaasje tusken materialen en batterijnivo's. It fergrizingsproses hat gjin ynfloed op de TR-triggertemperatuer (T2) fan 'e perfluorinearre elektrolytbatterij yn' e heule stoarm, dy't dúdlike foardielen hat oer de ferâldere batterij dy't de tradisjonele elektrolyt brûkt. Dêrnjonken is de eksothermyske peak konsistint mei de TR-resultaten, wat oanjout dat de sterke CEI befoarderlik is foar de thermyske stabiliteit fan 'e lithiumfrije positive elektrodes en oare batterijkomponinten. Dizze resultaten litte sjen dat it in-situ kontrôleûntwerp fan 'e stabile CEI-laach wichtige liedende betsjutting hat foar de praktyske tapassing fan feiliger hege-enerzjy lithiumbatterijen.

Literatuer ynformaasje

Ynboude ultrakonforme ynterfases skeakelje praktyske lithiumbatterijen mei hege feiligens yn, materialen foar enerzjyopslach, 2021.