By hoppt
Во литиум-јонските батерии, за да се постигне целта од 350 Wh Kg-1, катодниот материјал користи слоевит оксид богат со никел (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, наречен NMCxyz). Со зголемувањето на енергетската густина, вниманието на луѓето го привлекоа опасностите поврзани со термичкото бегство на LIB. Од материјална перспектива, позитивните електроди богати со никел имаат сериозни безбедносни проблеми. Дополнително, оксидацијата/вкрстувањето на другите компоненти на батеријата, како што се органските течности и негативните електроди, исто така може да предизвика термичко бегство, што се смета за водечка причина за безбедносни проблеми. Ин-situ контролираното формирање на стабилен интерфејс електрода-електролит е примарна стратегија за следната генерација на литиумски батерии со висока енергетска густина. Поточно, цврста и густа катодна електролитна интерфаза (CEI) со неоргански компоненти со поголема термичка стабилност може да го реши безбедносниот проблем со инхибиција на ослободувањето на кислород. Досега недостигаат истражувања за материјалите модифицирани со CEI катода и безбедноста на ниво на батерија.
Неодамна, Feng Xuning, Wang Li и Ouyang Minggao од Универзитетот Цингхуа објавија истражувачки труд со наслов „Вградените ултраконформални интерфази овозможуваат практични литиумски батерии со висока безбедност“ на материјали за складирање енергија. Авторот ги оцени безбедносните перформанси на практичната полна батерија со меко пакување NMC811/Gr и термичката стабилност на соодветната CEI позитивна електрода. Механизмот за потиснување на термички бегство помеѓу материјалот и мекото пакување батерија е сеопфатно проучен. Користејќи незапалив перфлуориран електролит, беше подготвена полна батерија од типот на кесичка NMC811/Gr. Термичката стабилност на NMC811 беше подобрена со CEI формираниот заштитен слој богат со неоргански LiF. CEI на LiF може ефикасно да го ублажи ослободувањето на кислород предизвикано од промената на фазата и да ја инхибира егзотермичката реакција помеѓу воодушевениот NMC811 и флуорираниот електролит.
Слика 1 Споредба на карактеристиките на термичко бегство на практичната полна батерија од типот на торбичка NMC811/Gr која користи перфлуориран електролит и конвенционален електролит. По еден циклус на традиционални (а) EC/EMC и (б) перфлуорирани FEC/FEMC/HFE електролити, напишете полни батерии. (в) Конвенционална EC/EMC електролиза и (г) перфлуорирана FEC/FEMC/HFE електролитна торбичка од типот на полна батерија остарена по 100 циклуси.
За батеријата NMC811/Gr со традиционален електролит по еден циклус (слика 1а), T2 е на 202.5°C. Т2 се јавува кога паѓа напонот на отворено коло. Сепак, T2 на батеријата што користи перфлуориран електролит достигнува 220.2 °C (Слика 1б), што покажува дека перфлуорираниот електролит може да ја подобри вродената термичка безбедност на батеријата до одреден степен поради нејзината поголема термичка стабилност. Како што старее батеријата, вредноста Т2 на традиционалната електролитна батерија паѓа на 195.2 °C (Слика 1в). Сепак, процесот на стареење не влијае на T2 на батеријата со користење на перфлуорирани електролити (Слика 1г). Дополнително, максималната вредност на dT/dt на батеријата што користи традиционалниот електролит за време на TR е дури 113°C s-1, додека батеријата што користи перфлуориран електролит е само 32°C s-1. Разликата во Т2 на застарените батерии може да се припише на вродената термичка стабилност на воодушевениот NMC811, која е намалена при конвенционалните електролити, но може ефективно да се одржува под перфлуорирани електролити.
Слика 2. (A,b) Контурни карти на C-NMC811 и F-NMC811 синхротрон со висока енергија XRD и соодветните (811) промени на дифракционите врвови. (в) Однесувањето на загревањето и ослободувањето на кислород на позитивната електрода на C-NMC811 и F-NMC003. (г) крива DSC на примерок мешавина од воодушевена позитивна електрода, литиирана негативна електрода и електролит.
На сликите 2а и б се прикажани кривите HEXRD на воодушевениот NMC81 со различни CEI слоеви во присуство на конвенционални електролити и во периодот од собна температура до 600°C. Резултатите јасно покажуваат дека во присуство на електролит, силен CEI слој е погодна за термичка стабилност на катодата депонирана со литиум. Како што е прикажано на Слика 2в, еден F-NMC811 покажа побавен егзотермичен врв на 233.8°C, додека егзотермниот врв C-NMC811 се појави на 227.3°C. Дополнително, интензитетот и брзината на ослободување кислород предизвикани од фазната транзиција на C-NMC811 се потешки од оние на F-NMC811, што дополнително потврдува дека робусниот CEI ја подобрува вродената термичка стабилност на F-NMC811. Слика 2г врши DSC тест на мешавина од воодушевени NMC811 и други соодветни компоненти на батеријата. За конвенционалните електролити, егзотермните врвови на примероците со 1 и 100 циклуси покажуваат дека стареењето на традиционалниот интерфејс ќе ја намали термичката стабилност. Спротивно на тоа, за перфлуорираниот електролит, илустрациите по 1 и 100 циклуси покажуваат широки и благи егзотермни врвови, во согласност со температурата на активирањето TR (T2). Резултатите (слика 1) се конзистентни, што покажува дека силниот CEI може ефективно да ја подобри термичката стабилност на застарениот и воодушевен NMC811 и другите компоненти на батеријата.
Слика 3 Карактеризација на воодушевената NMC811 позитивна електрода во перфлуорираниот електролит. (аб) Пресечни SEM-слики на старата позитивна електрода F-NMC811 и соодветно мапирање на EDS. (ч) Дистрибуција на елементи. (ij) Пресечна SEM слика на старата позитивна електрода F-NMC811 на виртуелен xy. (km) Реконструкција на 3D FIB-SEM структура и просторна дистрибуција на F елементи.
За да се потврди контролирачкото формирање на флуориран CEI, морфологијата на попречниот пресек и дистрибуцијата на елементите на старата позитивна електрода NMC811 пронајдена во вистинската мека батерија беа карактеризирани со FIB-SEM (Слика 3 ah). Во перфлуорираниот електролит, на површината на F-NMC811 се формира униформа флуориран CEI слој. Напротив, C-NMC811 во конвенционалниот електролит нема F и формира нерамномерен CEI слој. Содржината на F елементот на пресекот на F-NMC811 (слика 3h) е повисока од онаа на C-NMC811, што дополнително докажува дека формирањето на in-situ на неорганската флуорирана мезофаза е клучот за одржување на стабилноста на воодушевениот NMC811 . Со помош на мапирање FIB-SEM и EDS, како што е прикажано на Слика 3m, забележа многу F елементи во 3D моделот на површината на F-NMC811.
Слика 4а) Дистрибуција на длабочината на елементот на површината на оригиналната и воодушевена NMC811 позитивна електрода. (ац) FIB-TOF-SIMS ја распрскува дистрибуцијата на елементите F, O и Li во позитивната електрода на NMC811. (df) Површинската морфологија и длабинска дистрибуција на елементите F, O и Li на NMC811.
FIB-TOF-SEM дополнително ја откри длабинската дистрибуција на елементите на површината на позитивната електрода на NMC811 (Слика 4). Во споредба со оригиналните и C-NMC811 примероци, значително зголемување на F сигналот е откриено во горниот површински слој на F-NMC811 (Слика 4а). Дополнително, слабите сигнали на O и високиот Lim на површината укажуваат на формирање на CEI слоеви богати со F- и Li-ли (Слика 4б, в). Сите овие резултати потврдија дека F-NMC811 има CEI слој богат со LiF. Во споредба со CEI на C-NMC811, слојот CEI на F-NMC811 содржи повеќе F и Li елементи. Покрај тоа, како што е прикажано на Сл. 4d-f, од перспектива на длабочината на јонско гравирање, структурата на оригиналниот NMC811 е поцврста од онаа на воодушевениот NMC811. Длабочината на гравирање на стариот F-NMC811 е помала од C-NMC811, што значи дека F-NMC811 има одлична структурна стабилност.
Слика 5 CEI хемиски состав на површината на позитивната електрода на NMC811. (а) XPS спектар на NMC811 позитивна електрода CEI. (bc) XPS C1s и F1s спектрите на оригиналната и воодушевена NMC811 позитивна електрода CEI. (г) Електронски микроскоп за крио-пренос: дистрибуција на елементи на F-NMC811. (д) Замрзната TEM слика на CEI формирана на F-NMC81. (fg) Сликите на STEM-HAADF и STEM-ABF на C-NMC811. (здраво) Сликите на STEM-HAADF и STEM-ABF на F-NMC811.
Тие користеа XPS за да го карактеризираат хемискиот состав на CEI во NMC811 (Слика 5). За разлика од оригиналниот C-NMC811, CEI на F-NMC811 содржи голем F и Li, но минорен C (Слика 5а). Намалувањето на видовите C покажува дека CEI богат со LiF може да го заштити F-NMC811 со намалување на одржливите странични реакции со електролити (Слика 5б). Дополнително, помалите количини на CO и C=O покажуваат дека солволизата на F-NMC811 е ограничена. Во спектарот F1s на XPS (слика 5в), F-NMC811 покажа моќен LiF сигнал, потврдувајќи дека CEI содржи голема количина LiF добиен од флуорирани растворувачи. Мапирањето на елементите F, O, Ni, Co и Mn во локалната област на честичките F-NMC811 покажува дека деталите се рамномерно распоредени како целина (Слика 5г). Сликата TEM со ниска температура на слика 5e покажува дека CEI може да дејствува како заштитен слој за рамномерно да ја покрие позитивната електрода NMC811. За дополнително да се потврди структурната еволуција на интерфејсот, беа спроведени експерименти со високоаголна електронска микроскопија за скенирање со темно поле (HAADF-STEM и електронска микроскопија за пренос со скенирање со светло поле (ABF-STEM). За карбонат електролит (C -NMC811), Површината на циркулирачката позитивна електрода претрпе сериозна фазна промена, а на површината на позитивната електрода се акумулира нарушена фаза на камена сол (Слика 5f). За перфлуорираниот електролит, површината на F-NMC811 позитивната електрода одржува слоевит структура (слика 5h), што покажува штетно Фазата станува ефикасно потисната. Покрај тоа, униформа CEI слој беше забележан на површината на F-NMC811 (Слика 5i-g). Овие резултати дополнително ја докажуваат униформноста на CEI слој на површината на позитивната електрода на NMC811 во перфлуорираниот електролит.
Слика 6а) TOF-SIMS спектар на интерфазната фаза на површината на NMC811 позитивната електрода. (а) Длабока анализа на специфични втори јонски фрагменти на позитивната електрода на NMC811. (df) TOF-SIMS хемиски спектар на вториот јонски фрагмент по 180 секунди распрскување на оригиналот, C-NMC811 и F-NMC811.
C2F-фрагментите генерално се сметаат за органски супстанции на CEI, а LiF2- и PO2-фрагментите обично се сметаат за неоргански видови. Значително подобрени сигнали на LiF2- и PO2- беа добиени во експериментот (слика 6а, б), што покажува дека CEI слојот на F-NMC811 содржи голем број неоргански видови. Напротив, C2F-сигналот на F-NMC811 е послаб од оној на C-NMC811 (Слика 6в), што значи дека CEI слојот на F-NMC811 содржи помалку кревки органски видови. Понатамошните истражувања покажаа (слика 6d-f) дека има повеќе неоргански видови во CEI на F-NMC811, додека има помалку неоргански видови во C-NMC811. Сите овие резултати покажуваат формирање на цврст CEI богат со неоргански слој во перфлуорираниот електролит. Во споредба со батериите со меки пакети NMC811/Gr кои користат традиционален електролит, подобрувањето на безбедноста на батериите со меко пакување со перфлуориран електролит може да се припише на: Прво, на самото место формирањето на CEI слој богат со неоргански LiF е корисно. Вродената термичка стабилност на воодушевената позитивна електрода NMC811 го намалува ослободувањето на решеткастиот кислород предизвикано од фазната транзиција; второ, цврстиот неоргански CEI заштитен слој дополнително го спречува високо-реактивната делитијација NMC811 да дојде во контакт со електролитот, намалувајќи ја егзотермната странична реакција; трето, перфлуорираниот електролит има висока термичка стабилност при високи температури.
Оваа работа го објави развојот на практична полна батерија од типот на торбичка Gr/NMC811 со помош на перфлуориран електролит, што значително ги подобри неговите безбедносни перформанси. Внатрешна термичка стабилност. Продлабочена студија за механизмот за инхибиција на TR и корелацијата помеѓу материјалите и нивоата на батеријата. Процесот на стареење не влијае на температурата на активирањето TR (T2) на перфлуорираната електролитна батерија за време на целата бура, што има очигледни предности во однос на батеријата што старее со користење на традиционалниот електролит. Дополнително, егзотермичниот врв е конзистентен со резултатите од TR, што покажува дека силниот CEI е погодна за термичка стабилност на позитивната електрода без литиум и другите компоненти на батеријата. Овие резултати покажуваат дека дизајнот на контрола на самото место на стабилниот слој CEI има важно водечко значење за практичната примена на побезбедни високо-енергетски литиумски батерии.
Вградените ултраконформални интерфази овозможуваат практични литиумски батерии со висока безбедност, материјали за складирање енергија, 2021 година.
одговорете во рок од 6 часа, сите прашања се добредојдени!
