ESM: Entèfas ultra-konfòmèl nan elektwolit perfluorinated pou pil ityòm pratik ki gen gwo enèji.

Istorik Rechèch

Nan pil ityòm-ion, pou reyalize objektif 350 Wh Kg-1, materyèl katod la sèvi ak nikèl ki rich kouch oksid (LiNixMnyCozO2, x + y + z = 1, ki rele NMCxyz). Ak ogmantasyon dansite enèji, danje ki gen rapò ak tèmik runaway LIBs te atire atansyon moun. Soti nan yon pèspektiv materyèl, elektwòd pozitif nikèl ki rich yo gen pwoblèm sekirite grav. Anplis de sa, oksidasyon / crosstalk nan lòt eleman batri, tankou likid òganik ak elektwòd negatif, kapab tou deklanche tèmik runaway, ki konsidere kòm kòz prensipal pwoblèm sekirite. Fòmasyon kontwole nan plas nan yon koòdone elektwòd-elektwolit ki estab se estrateji prensipal la pou pwochen jenerasyon pil ityòm ki baze sou gwo enèji-dansite. Espesyalman, yon entèfaz katod-elektwolit solid ak dans (CEI) ak pi wo estabilite tèmik konpozan inòganik ka rezoud pwoblèm sekirite a pa anpeche liberasyon oksijèn. Jiskaprezan, gen yon mank de rechèch sou CEI katod-modifye materyèl ak sekirite nan nivo batri.

Ekspozisyon akonplisman

Dènyèman, Feng Xuning, Wang Li, ak Ouyang Minggao nan Inivèsite Tsinghua te pibliye yon papye rechèch ki rele "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Itium Batteries" sou Materyèl Depo Enèji. Otè a evalye pèfòmans sekirite pratik NMC811/Gr mou-chaje plen batri a ak estabilite tèmik nan elektwòd pozitif CEI korespondan an. Mekanis tèmik suppression runaway ant materyèl la ak batri a pake mou yo te etidye konplè. Sèvi ak yon elektwolit perfluorinated ki pa ka pran dife, yo te prepare yon batri konplè NMC811/Gr. Estabilite nan tèmik nan NMC811 te amelyore pa nan-situ ki te fòme kouch pwoteksyon CEI ki rich nan LiF inòganik. CEI nan LiF ka efektivman soulaje liberasyon oksijèn ki te koze pa chanjman faz la epi anpeche reyaksyon ègzotèmik ant NMC811 kontan ak elektwolit fliyò a.

Gid grafik

Figi 1 Konparezon nan karakteristik tèmik runaway nan pratik NMC811 / Gr sak-kalite batri plen lè l sèvi avèk elektwolit perfluorinated ak elektwolit konvansyonèl yo. Apre yon sik tradisyonèl (a) EC/EMC ak (b) perfluorinated FEC/FEMC/HFE elektwolit sak kalite pil plen. (c) Elektwoliz konvansyonèl EC/EMC ak (d) perfluorinated FEC/FEMC/HFE elektwolit sak-kalite batri plen ki gen laj apre 100 sik.

Pou batri NMC811/Gr ak elektwolit tradisyonèl apre yon sik (Figi 1a), T2 se nan 202.5 ° C. T2 rive lè vòltaj sikwi louvri a tonbe. Sepandan, T2 nan batri a lè l sèvi avèk elektwolit perfluorinated la rive nan 220.2 ° C (Figi 1b), ki montre ke elektwolit perfluorinated la ka amelyore sekirite nannan tèmik batri a nan yon sèten limit akòz estabilite tèmik ki pi wo li yo. Kòm batri a laj, valè T2 nan batri elektwolit tradisyonèl la desann nan 195.2 °C (Figi 1c). Sepandan, pwosesis la aje pa afekte T2 nan batri a lè l sèvi avèk elektwolit perfluorinated (Figi 1d). Anplis de sa, valè maksimòm dT/dt batri a lè l sèvi avèk elektwolit tradisyonèl la pandan TR se kòm yon wo 113 °C s-1, pandan y ap batri a lè l sèvi avèk elektwolit la perfluorinated se sèlman 32 °C s-1. Diferans nan T2 nan pil aje ka atribiye nan nannan estabilite nan tèmik nan kontan NMC811, ki se redwi anba elektwolit konvansyonèl, men yo ka efektivman konsève anba elektwolit perfluorinated.

Figi 2 Estabilite tèmik nan delithiation NMC811 elektwòd pozitif ak NMC811 / Gr melanj batri. (A,b) Kat kontou C-NMC811 ak F-NMC811 synchrotron wo-enèji XRD ak korespondan (003) chanjman pik diffraction. (c) Konpòtman chofaj ak lage oksijèn nan elektwòd pozitif C-NMC811 ak F-NMC811. (d) Koub DSC nan melanj echantiyon nan elektwòd pozitif la kontan, elektwòd negatif litiated, ak elektwolit.

Figi 2a ak b montre koub HEXRD nan NMC81 kontan ak diferan kouch CEI nan prezans elektwolit konvansyonèl ak pandan peryòd ki soti nan tanperati chanm nan 600 ° C. Rezilta yo montre klèman ke nan prezans yon elektwolit, yon kouch CEI fò se fezab nan estabilite nan tèmik nan katod la ityòm-depoze. Jan yo montre nan Figi 2c, yon sèl F-NMC811 te montre yon pik ekzotèrmik pi dousman nan 233.8 ° C, pandan y ap C-NMC811 pik èzotèrmik parèt nan 227.3 ° C. Anplis de sa, entansite ak pousantaj lage oksijèn ki te koze pa tranzisyon faz nan C-NMC811 yo pi grav pase sa yo ki nan F-NMC811, plis konfime ke gaya CEI amelyore estabilite nannan tèmik nan F-NMC811. Figi 2d fè yon tès DSC sou yon melanj NMC811 kontan ak lòt konpozan batri korespondan. Pou elektwolit konvansyonèl yo, pik ekzotèrmik echantiyon ak 1 ak 100 sik endike ke aje nan koòdone tradisyonèl la ap diminye estabilite tèmik. Kontrèman, pou elektwolit perfluorinated la, ilistrasyon yo apre 1 ak 100 sik montre pik eksotèmik laj ak twò grav, nan liy ak tanperati deklanche TR (T2). Rezilta yo (Figi 1) yo konsistan, ki endike ke CEI a fò ka efektivman amelyore estabilite nan tèmik nan NMC811 laj ak kontan ak lòt konpozan batri.

Figi 3 Karakterizasyon nan lektwòd pozitif NMC811 kontan nan elektwolit perfluorinated la. (ab) Imaj SEM kwa-seksyonèl nan elektwòd pozitif F-NMC811 ki gen laj ak kat EDS ki koresponn lan. (ch) Distribisyon eleman. (ij) Imaj SEM kwa-seksyonèl nan elektwòd pozitif F-NMC811 ki gen laj sou xy vityèl. (km) Rekonstriksyon estrikti 3D FIB-SEM ak distribisyon espasyal eleman F yo.

Pou konfime fòmasyon kontwole fliyò CEI, mòfoloji kwa-seksyonèl ak distribisyon eleman nan elektwòd pozitif NMC811 ki gen laj refè nan batri aktyèl mou-pake a te karakterize pa FIB-SEM (Figi 3 ah). Nan elektwolit perfluorinated la, yon inifòm kouch fliyò CEI fòme sou sifas F-NMC811. Okontrè, C-NMC811 nan elektwolit konvansyonèl la manke F epi li fòme yon kouch CEI inegal. Kontni eleman F sou koup transvèsal F-NMC811 (Figi 3h) pi wo pase C-NMC811, ki plis pwouve ke fòmasyon in-situ nan mesophase inòganik fliyò a se kle nan kenbe estabilite nan NMC811 kontan. . Avèk èd kat FIB-SEM ak EDS, jan yo montre nan Figi 3m, li obsève anpil eleman F nan modèl 3D sou sifas F-NMC811.

Figi 4a) distribisyon pwofondè eleman sou sifas orijinal ak kontan NMC811 lektwòd pozitif. (ac) FIB-TOF-SIMS ap sputtering distribisyon eleman F, O, ak Li nan elektwòd pozitif NMC811. (df) Mòfoloji sifas ak distribisyon pwofondè eleman F, O, ak Li nan NMC811.

FIB-TOF-SEM plis revele distribisyon pwofondè eleman yo sou sifas elektwòd pozitif NMC811 (Figi 4). Konpare ak echantiyon orijinal ak C-NMC811 yo, yo te jwenn yon ogmantasyon siyifikatif nan siyal F nan kouch sifas tèt F-NMC811 (Figi 4a). Anplis de sa, siyal yo fèb O ak segondè Li sou sifas la endike fòmasyon nan kouch F- ak Li ki rich CEI (Figi 4b, c). Rezilta sa yo tout konfime ke F-NMC811 gen yon kouch CEI LiF ki rich. Konpare ak CEI C-NMC811, kouch CEI F-NMC811 gen plis eleman F ak Li. Anplis de sa, jan yo montre nan FIG. 4d-f, nan pèspektiv nan pwofondè grave ion, estrikti nan NMC811 orijinal la se pi solid pase sa yo ki nan NMC811 la kontan. Pwofondè etch nan F-NMC811 ki gen laj pi piti pase C-NMC811, ki vle di ke F-NMC811 gen ekselan estabilite estriktirèl.

Figi 5 CEI konpozisyon chimik sou sifas elektwòd pozitif NMC811 la. (a) spectre XPS nan NMC811 elektwòd pozitif CEI. (bc) XPS C1s ak F1s spectre nan orijinal la ak kontan NMC811 pozitif elektwòd CEI. (d) Mikwoskòp elèktron kriyo-transmisyon: distribisyon eleman F-NMC811. (e) Imaj CEI TEM jele ki te fòme sou F-NMC81. (fg) STEM-HAADF ak STEM-ABF imaj C-NMC811. (hi) STEM-HAADF ak STEM-ABF imaj nan F-NMC811.

Yo te itilize XPS pou karakterize konpozisyon chimik CEI nan NMC811 (Figi 5). Kontrèman ak orijinal C-NMC811, CEI nan F-NMC811 gen yon gwo F ak Li men minè C (Figi 5a). Rediksyon espès C yo endike ke CEI ki rich ak LiF ka pwoteje F-NMC811 lè li diminye reyaksyon segondè soutni ak elektwolit (Figi 5b). Anplis de sa, pi piti kantite CO ak C = O endike ke solisyonliz F-NMC811 limite. Nan spectre F1s nan XPS (Figi 5c), F-NMC811 te montre yon siyal LiF pwisan, ki konfime ke CEI gen yon gwo kantite LiF ki sòti nan solvang fliyò. Kat F, O, Ni, Co, ak Mn eleman yo nan zòn lokal la sou patikil F-NMC811 yo montre ke detay yo distribye inifòm kòm yon antye (Figi 5d). Imaj TEM ba-tanperati a nan Figi 5e montre ke CEI ka aji kòm yon kouch pwoteksyon pou kouvri inifòm elektwòd pozitif NMC811 la. Pou plis konfime evolisyon estriktirèl koòdone a, yo te pote eksperyans mikwoskospi elektwonik transmisyon transmisyon (HAADF-STEM ak sikilè mikwoskòp elektwonik transmisyon (ABF-STEM). -NMC811), Sifas lektwòd pozitif sikile a te sibi yon chanjman faz grav, epi yon faz sèl wòch dezòdone akimile sou sifas elektwòd pozitif la (figi 5f).Pou elektwolit perfluorinated la, sifas F-NMC811 la. elektwòd pozitif kenbe yon estrikti kouch (Figi 5h), ki endike danjere Faz la vin efektivman siprime.Anplis de sa, yon kouch CEI inifòm yo te obsève sou sifas la nan F-NMC811 (Figi 5i-g).Rezilta sa yo plis pwouve inifòmite a nan la. Kouch CEI sou sifas elektwòd pozitif NMC811 nan elektwolit perfluorinated la.

Figi 6a) spectre TOF-SIMS nan faz entèfaz la sou sifas elektwòd pozitif NMC811 la. (ac) Analiz pwofondè nan fragman espesifik dezyèm ion sou elektwòd pozitif NMC811. (df) TOF-SIMS spectre chimik nan dezyèm fragman ion apre 180 segonn nan sputtering sou orijinal la, C-NMC811 ak F-NMC811.

C2F-fragman yo jeneralman konsidere kòm sibstans òganik nan CEI, ak LiF2- ak PO2-fragman yo anjeneral konsidere kòm espès inòganik. Siyyal amelyore anpil nan LiF2- ak PO2- yo te jwenn nan eksperyans la (Figi 6a, b), ki endike ke kouch CEI nan F-NMC811 gen yon gwo kantite espès inòganik. Okontrè, siyal C2F F-NMC811 pi fèb pase C-NMC811 (Figi 6c), ki vle di kouch CEI F-NMC811 gen espès òganik mwens frajil. Plis rechèch te jwenn (Figi 6d-f) ke gen plis espès inòganik nan CEI nan F-NMC811, pandan y ap gen mwens espès inòganik nan C-NMC811. Tout rezilta sa yo montre fòmasyon yon kouch CEI solid inòganik ki rich nan elektwolit perfluorinated la. Konpare ak batri mou-pake NMC811/Gr lè l sèvi avèk yon elektwolit tradisyonèl, amelyorasyon sekirite nan batri a mou-pake lè l sèvi avèk elektwolit perfluorinated ka atribiye a: Premyèman, fòmasyon an in-situ nan yon kouch CEI rich nan LiF inòganik se benefisye. Estabilite nannan tèmik nan kontan NMC811 elektwòd pozitif diminye liberasyon oksijèn lasi ki te koze pa tranzisyon faz; Dezyèmman, kouch solid inòganik CEI pwoteksyon an plis anpeche NMC811 a trè reyaktif delithiation kontakte elektwolit la, diminye reyaksyon an bò ègzotèmik; twazyèm, elektwolit la perfluorinated gen gwo estabilite tèmik nan tanperati ki wo.

Konklizyon ak pespektiv

Travay sa a te rapòte devlopman yon pratik Gr/NMC811 pouch-type batri plen lè l sèvi avèk yon elektwolit perfluorinated, ki siyifikativman amelyore pèfòmans sekirite li yo. Estabilite tèmik intrinsèques. Yon etid apwofondi sou mekanis anpèchman TR ak korelasyon ki genyen ant materyèl ak nivo batri yo. Pwosesis aje a pa afekte tanperati TR deklanche (T2) batri elektwolit perfluorinated la pandan tout tanpèt la, ki gen avantaj evidan sou batri aje lè l sèvi avèk elektwolit tradisyonèl la. Anplis de sa, pik ekzotèrmik la ki konsistan avèk rezilta TR yo, ki endike ke CEI fò a se fezab nan estabilite nan tèmik nan elektwòd la pozitif ityòm-gratis ak lòt konpozan batri. Rezilta sa yo montre ke konsepsyon kontwòl in-situ kouch CEI ki estab la gen yon enpòtans enpòtan pou aplikasyon pratik pil ityòm ki pi an sekirite ak gwo enèji.

Enfòmasyon sou literati

Entèfaz ultrakonfòmèl entegre yo pèmèt batri ityòm pratik ki gen sekirite segondè, materyèl depo enèji, 2021.