ESM: Itumọ ti ultra-conformal ni wiwo ti elekitiroti perfluorinated fun ilowo to ga-agbara awọn batiri lithium

Iwadi Lẹhin

Ninu awọn batiri lithium-ion, lati ṣaṣeyọri ibi-afẹde ti 350 Wh Kg-1, ohun elo cathode naa nlo ohun elo afẹfẹ nickel-rich Layered oxide (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, ti a pe ni NMCxyz). Pẹlu ilosoke ti iwuwo agbara, awọn ewu ti o nii ṣe pẹlu igbona runaway ti LIBs ti fa akiyesi eniyan. Lati irisi ohun elo, awọn amọna ti o dara nickel ni awọn ọran aabo to ṣe pataki. Ni afikun, oxidation/crosstalk ti awọn paati batiri miiran, gẹgẹbi awọn olomi Organic ati awọn amọna amọna, tun le fa ilọ kiri igbona, eyiti o jẹ idi akọkọ ti awọn iṣoro ailewu. Ipilẹṣẹ iṣakoso inu-ile ti wiwo elekiturodu-electrolyte iduroṣinṣin jẹ ilana akọkọ fun iran ti nbọ ti agbara-iwuwo-giga-orisun awọn batiri. Ni pato, a ri to ati ipon cathode-electrolyte interphase (CEI) pẹlu awọn ohun elo inorganic iduroṣinṣin ti o ga julọ le yanju iṣoro ailewu nipa didi itusilẹ ti atẹgun. Titi di isisiyi, aini iwadii wa lori awọn ohun elo ti a tunṣe cathode ati aabo ipele batiri.

àpapọ aseyori

Laipe, Feng Xuning, Wang Li, ati Ouyang Minggao ti Tsinghua University ṣe atẹjade iwe iwadi kan ti o ni ẹtọ ni "In-Built Ultraconformal Interphases Mu awọn Batiri Lithium Practical Safety High-Aabo" lori Awọn ohun elo Ibi ipamọ Agbara. Onkọwe naa ṣe iṣiro iṣẹ aabo ti NMC811/Gr ti o wulo ti batiri kikun ati imuduro igbona ti elekiturodu rere CEI ti o baamu. Ẹrọ imukuro igbona runaway laarin ohun elo ati batiri idii rirọ ti ni iwadi ni kikun. Lilo elekitiroliti perfluorinated ti kii ṣe flammable, Batiri kikun iru NMC811/Gr ti pese sile. Iduroṣinṣin igbona ti NMC811 jẹ ilọsiwaju nipasẹ aaye ti o ṣẹda Layer aabo CEI ti o ni ọlọrọ ni LiF inorganic. CEI ti LiF le ni imunadoko imunadoko itusilẹ atẹgun ti o ṣẹlẹ nipasẹ iyipada alakoso ati dojuti iṣesi exothermic laarin NMC811 inudidun ati itanna fluorinated.

Itọsọna ayaworan

Aworan 1 Ifiwera ti awọn abuda ayangbe igbona ti adaṣe NMC811/Gr apo kekere iru batiri ni kikun nipa lilo elekitiroti perfluorinated ati elekitiroti ti aṣa. Lẹhin ọkan ọmọ ti ibile (a) EC/EMC ati (b) perfluorinated FEC/FEMC/HFE electrolyte apo iru awọn batiri ni kikun. (c) Conventional EC/EMC electrolysis ati (d) perfluorinated FEC/FEMC/HFE elekitiroti apo-iru batiri ni kikun ti ogbo lẹhin 100 waye.

Fun batiri NMC811/Gr pẹlu elekitiroti ibile lẹhin iyipo kan (Ọya 1a), T2 wa ni 202.5°C. T2 waye nigbati awọn ìmọ-Circuit foliteji silė. Bibẹẹkọ, T2 ti batiri naa nipa lilo elekitiroti perfluorinated ti de 220.2 ° C (Figure 1b), eyiti o fihan pe elekitiroti perfluorinated le ṣe ilọsiwaju aabo igbona atorunwa ti batiri si iwọn kan nitori iduroṣinṣin igbona giga rẹ. Bi batiri ti n dagba, iye T2 ti batiri elekitiroti ibile lọ silẹ si 195.2 °C (Figure 1c). Sibẹsibẹ, ilana ti ogbo ko ni ipa lori T2 ti batiri naa nipa lilo awọn elekitiroti perfluorinated (Figure 1d). Ni afikun, awọn ti o pọju dT/dt iye ti batiri lilo awọn ibile electrolyte nigba TR ga bi 113°C s-1, nigba ti batiri lilo perfluorinated electrolyte jẹ nikan 32°C s-1. Iyatọ ti T2 ti awọn batiri ti ogbo ni a le sọ si iduroṣinṣin igbona ti inherent ti NMC811 inudidun, eyiti o dinku labẹ awọn elekitiroti aṣa, ṣugbọn o le ṣe itọju daradara labẹ awọn elekitiroti perfluorinated.

olusin 2 Iduroṣinṣin gbona ti delithiation NMC811 elekiturodu rere ati adalu batiri NMC811/Gr. (A,b) Awọn maapu elegbegbe ti C-NMC811 ati F-NMC811 synchrotron agbara-giga XRD ati awọn iyipada (003) diffraction tente oke. (c) Alapapo ati ihuwasi itusilẹ atẹgun ti elekiturodu rere ti C-NMC811 ati F-NMC811. (d) Iwọn DSC ti idapọ ayẹwo ti elekiturodu rere inudidun, elekiturodu odi lithated, ati elekitiroti.

Awọn eeya 2a ati b ṣe afihan awọn iyipo HEXRD ti inudidun NMC81 pẹlu oriṣiriṣi awọn ipele CEI ni iwaju awọn elekitiroti aṣa ati lakoko akoko lati iwọn otutu yara si 600°C. Awọn abajade fihan ni kedere pe niwaju elekitiroti kan, ipele CEI ti o lagbara jẹ itunnu si iduroṣinṣin igbona ti cathode ti a fi silẹ litiumu. Gẹgẹbi a ṣe han ni Nọmba 2c, F-NMC811 kan fihan pe o lọra exothermic tente ni 233.8 ° C, lakoko ti C-NMC811 exothermic tente han ni 227.3 ° C. Ni afikun, kikankikan ati oṣuwọn ti itusilẹ atẹgun ti o ṣẹlẹ nipasẹ iyipada alakoso ti C-NMC811 jẹ diẹ sii ti o buru ju ti F-NMC811 lọ, ni idaniloju siwaju pe CEI ti o lagbara mu ilọsiwaju imuduro igbona atorunwa ti F-NMC811. Olusin 2d ṣe idanwo DSC kan lori adalu NMC811 inudidun ati awọn paati batiri ti o baamu. Fun awọn elekitiroti ti aṣa, awọn oke giga exothermic ti awọn ayẹwo pẹlu awọn akoko 1 ati 100 fihan pe ogbo ti wiwo aṣa yoo dinku iduroṣinṣin igbona. Ni idakeji, fun awọn elekitiroti perfluorinated, awọn apejuwe lẹhin 1 ati 100 yiyipo fihan gbooro ati ìwọnba exothermic ga ju, ni ila pẹlu awọn TR okunfa otutu (T2). Awọn abajade (Eyaworan 1) wa ni ibamu, ti o nfihan pe CEI ti o lagbara le ṣe imunadoko imunadoko imuduro igbona ti awọn agbalagba ati inudidun NMC811 ati awọn paati batiri miiran.

Aworan 3 Iwa ti inu didun NMC811 elekiturodu rere ninu elekitiroti perfluorinated. (ab) Awọn aworan SEM-apapọ-agbelebu ti agbalagba F-NMC811 elekiturodu rere ati aworan agbaye EDS ti o baamu. (ch) Pinpin eroja. (ij) Aworan SEM-agbelebu ti agbalagba F-NMC811 elekiturodu rere lori xy foju. (km) Atunkọ ti 3D FIB-SEM be ati aye pinpin eroja F.

Lati jẹrisi idasile iṣakoso ti CEI fluorinated, mofoloji-apakan-agbelebu ati ipinpin ipin ti elekiturodu ti ogbo NMC811 ti o gba pada ninu batiri rirọ-pack gangan jẹ ifihan nipasẹ FIB-SEM (Figure 3 ah). Ni perfluorinated electrolyte, a aṣọ fluorinated CEI Layer ti wa ni akoso lori dada ti F-NMC811. Ni ilodi si, C-NMC811 ninu elekitiroti ti aṣa ko ni F ati pe o jẹ fẹlẹfẹlẹ CEI ti ko ni deede. Akoonu F ti o wa ni apakan agbelebu ti F-NMC811 (Figure 3h) ga ju ti C-NMC811 lọ, eyiti o jẹri siwaju sii pe dida ibi-aye ti mesophase fluorinated inorganic jẹ bọtini lati ṣetọju iduroṣinṣin ti NMC811 inudidun. . Pẹlu iranlọwọ ti FIB-SEM ati maapu EDS, bi a ṣe han ni Nọmba 3m, o ṣe akiyesi ọpọlọpọ awọn eroja F ni awoṣe 3D lori oju F-NMC811.

olusin 4a) Pinpin ijinle ano lori dada ti atilẹba ati inudidun NMC811 rere elekiturodu. (ac) FIB-TOF-SIMS n pin kaakiri F, O, ati awọn eroja Li ninu elekiturodu rere ti NMC811. (df) Mofoloji dada ati pinpin ijinle ti F, O, ati awọn eroja Li ti NMC811.

FIB-TOF-SEM tun ṣafihan pinpin ijinle ti awọn eroja lori oju ti elekiturodu rere ti NMC811 (Figure 4). Ti a ṣe afiwe pẹlu atilẹba ati awọn ayẹwo C-NMC811, ilosoke pataki ninu ifihan F ni a rii ni ipele oke ti F-NMC811 (Aworan 4a). Ni afikun, awọn alailagbara O ati awọn ifihan agbara Li giga lori dada tọka si idasile ti F- ati Li-ọlọrọ CEI fẹlẹfẹlẹ (Figure 4b, c). Awọn abajade wọnyi jẹri gbogbo pe F-NMC811 ni ipele CEI ọlọrọ LiF kan. Ti a ṣe afiwe pẹlu CEI ti C-NMC811, Layer CEI ti F-NMC811 ni awọn eroja F ati Li diẹ sii. Ni afikun, bi o han ni FIGS. 4d-f, lati irisi ti ion etching ijinle, awọn be ti atilẹba NMC811 jẹ diẹ logan ju ti NMC811 inudidun. Ijinle etch ti F-NMC811 ti ogbo jẹ kere ju C-NMC811, eyiti o tumọ si pe F-NMC811 ni iduroṣinṣin igbekalẹ to dara julọ.

Olusin 5 CEI kemikali tiwqn lori dada ti awọn rere elekiturodu ti NMC811. (a) XPS julọ.Oniranran ti NMC811 rere elekiturodu CEI. (bc) XPS C1s ati F1s sipekitira ti atilẹba ati inudidun NMC811 elekiturodu rere CEI. (d) Cryo-gbigbe itanna maikirosikopu: ano pinpin F-NMC811. (e) Aworan TEM tio tutunini ti CEI ti o ṣẹda lori F-NMC81. (fg) STEM-HAADF ati STEM-ABF awọn aworan ti C-NMC811. (hi) STEM-HAADF ati STEM-ABF awọn aworan ti F-NMC811.

Wọn lo XPS lati ṣe apejuwe akojọpọ kemikali ti CEI ni NMC811 (Aworan 5). Ko dabi C-NMC811 atilẹba, CEI ti F-NMC811 ni F nla kan ati Li ṣugbọn C kekere (Aworan 5a). Idinku ti eya C tọkasi pe LiF-ọlọrọ CEI le daabobo F-NMC811 nipa idinku awọn aati ẹgbẹ ti o duro pẹlu awọn elekitiroti (Aworan 5b). Ni afikun, awọn oye kekere ti CO ati C = O tọka si pe solvolysis ti F-NMC811 ni opin. Ninu irisi F1s ti XPS (Figure 5c), F-NMC811 ṣe afihan ifihan agbara LiF ti o lagbara, ti o jẹrisi pe CEI ni iye nla ti LiF ti o wa lati awọn olomi fluorinated. Awọn aworan agbaye ti awọn eroja F, O, Ni, Co, ati Mn ni agbegbe agbegbe lori awọn patikulu F-NMC811 fihan pe awọn alaye ti pin ni iṣọkan ni apapọ (Nọmba 5d). Aworan TEM iwọn otutu kekere ni Nọmba 5e fihan pe CEI le ṣe bi Layer aabo lati bo elekiturodu rere NMC811 ni iṣọkan. Lati jẹrisi siwaju itankalẹ igbekale ti ni wiwo, ga-igun ipin dudu-oko Antivirus gbigbe elekitironi maikirosikopu (HAADF-STEM ati ipin imọlẹ-oko Antivirus gbigbe elekitironi maikirosikopu (ABF-STEM) adanwo won ti gbe jade Fun awọn kaboneti electrolyte (C). -NMC811), Awọn dada ti kaakiri rere elekiturodu ti koja a àìdá alakoso ayipada, ati ki o kan disordered apata iyọ alakoso ti wa ni akojo lori dada ti awọn rere elekiturodu (olusin 5f) Fun awọn perfluorinated electrolyte, awọn dada ti F-NMC811. elekiturodu rere n ṣetọju eto ti o fẹlẹfẹlẹ (Figure 5h), ti o tọka si ipalara ti ipele naa di imunadoko. CEI Layer lori rere elekiturodu dada ti NMC811 ni perfluorinated electrolyte.

Olusin 6a) TOF-SIM spekitiriumu ti awọn interphase alakoso lori dada ti NMC811 rere elekiturodu. (ac) Ayẹwo ti o jinlẹ ti awọn ajẹkù ion keji pato lori elekiturodu rere ti NMC811. (df) TOF-SIMS kemikali julọ.Oniranran ti awọn keji ion ajeku lẹhin 180 aaya ti sputtering lori atilẹba, C-NMC811 ati F-NMC811.

C2F-ajẹkù ti wa ni gbogbo ka Organic oludoti ti CEI, ati LiF2- ati PO2-ajẹkù ti wa ni maa bi awọn ẹya eleto. Awọn ifihan agbara ti o ni ilọsiwaju ti LiF2- ati PO2- ni a gba ninu idanwo naa (olusin 6a, b), ti o nfihan pe ipele CEI ti F-NMC811 ni nọmba nla ti awọn ẹya aibikita. Lori awọn ilodi si, C2F-ifihan agbara ti F-NMC811 alailagbara ju ti C-NMC811 (olusin 6c), eyi ti o tumo si wipe CEI Layer ti F-NMC811 ni kere ẹlẹgẹ Organic eya. Iwadi siwaju sii ti a rii (Figure 6d-f) pe diẹ sii awọn ẹya inorganic ni CEI ti F-NMC811, lakoko ti o wa diẹ ninu awọn ẹya inorganic ni C-NMC811. Gbogbo awọn abajade wọnyi ṣe afihan didasilẹ ti erupẹ CEI ti o ni inorganic-ọlọrọ ninu elekitiroti perfluorinated. Ti a bawe pẹlu NMC811/Gr batiri rirọ-pack nipa lilo elekitiroti ibile, ilọsiwaju aabo ti batiri rirọ nipa lilo elekitiroti perfluorinated ni a le sọ si: Ni akọkọ, iṣelọpọ inu-ile ti Layer CEI ọlọrọ ni LiF inorganic jẹ anfani. Iduroṣinṣin igbona ti inu ti inu didun NMC811 elekiturodu rere dinku itusilẹ ti atẹgun lattice ti o ṣẹlẹ nipasẹ iyipada alakoso; Ẹlẹẹkeji, awọn ri to inorganic CEI aabo Layer siwaju idilọwọ awọn gíga ifaseyin delithiation NMC811 lati kan si elekitiroti, atehinwa awọn exothermic ẹgbẹ lenu; kẹta, Awọn perfluorinated electrolyte ni o ni ga gbona iduroṣinṣin ni ga awọn iwọn otutu.

Ipari ati Outlook

Iṣẹ yii ṣe ijabọ idagbasoke ti Gr/NMC811 iru apo kekere ti o ni kikun batiri nipa lilo elekitiroti perfluorinated, eyiti o mu ilọsiwaju iṣẹ ailewu rẹ pọ si ni pataki. Iduroṣinṣin gbona inu inu. Iwadii ti o jinlẹ ti ẹrọ idinamọ TR ati ibamu laarin awọn ohun elo ati awọn ipele batiri. Ilana ti ogbo ko ni ipa lori iwọn otutu ti o nfa TR (T2) ti batiri electrolyte perfluorinated nigba gbogbo iji, eyi ti o ni awọn anfani ti o han gbangba lori batiri ti ogbo nipa lilo electrolyte ibile. Ni afikun, tente oke exothermic ni ibamu pẹlu awọn abajade TR, ti o nfihan pe CEI ti o lagbara ni itara si iduroṣinṣin gbona ti elekiturodu rere ti ko ni litiumu ati awọn paati batiri miiran. Awọn abajade wọnyi fihan pe apẹrẹ iṣakoso inu-ile ti Layer CEI iduroṣinṣin ni pataki itọsọna pataki fun ohun elo iṣe ti awọn batiri litiumu giga-agbara ailewu.

Alaye litireso

Ninu-Itumọ ti Ultraconformal Interphases Mu awọn Batiri Lithium wulo Aabo-giga, Awọn ohun elo Ibi ipamọ Agbara, 2021.