ESM: Built-in ultra-konform Interface vu perfluoréierten Elektrolyt fir praktesch héich-Energie Lithium Batterien

Fuerschung Hannergrond

Bei Lithium-Ion-Batterien, fir d'Ziel vun 350 Wh Kg-1 z'erreechen, benotzt d'Kathodematerial Nickel-räich Schichtenoxid (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, NMCxyz genannt). Mat der Erhéijung vun der Energiedicht hunn d'Gefore am Zesummenhang mat der thermescher Flucht vu LIBs d'Leit opmierksam gemaach. Aus enger materieller Perspektiv hunn nickelräich positiv Elektroden sérieux Sécherheetsprobleemer. Zousätzlech kann d'Oxidatioun / Crosstalk vun anere Batteriekomponenten, wéi organesch Flëssegkeeten an negativ Elektroden, och thermesch Runaway ausléisen, wat als Haaptursaach vu Sécherheetsproblemer ugesi gëtt. D'in-situ kontrolléierbar Bildung vun enger stabiler Elektroden-Elektrolyt-Interface ass déi primär Strategie fir déi nächst Generatioun vu Lithium-baséiert Batterien mat héijer Energiedicht. Speziell, eng zolidd an dichte Kathode-Elektrolyt-Interphase (CEI) mat méi héijer thermescher Stabilitéit anorganesche Komponenten kënnen d'Sécherheetsproblem léisen andeems d'Verëffentlechung vu Sauerstoff hemmt. Bis elo gëtt et e Manktem u Fuerschung iwwer CEI-Kathode-modifizéiert Materialien a Batterie-Niveau Sécherheet.

Erreeche Display

Viru kuerzem hunn de Feng Xuning, Wang Li, an Ouyang Minggao vun der Tsinghua Universitéit e Fuerschungspabeier publizéiert mam Titel "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" on Energy Storage Materials. Den Auteur evaluéiert d'Sécherheetsleeschtung vun der praktescher NMC811 / Gr mëll gepackt voll Batterie an d'thermesch Stabilitéit vun der entspriechender CEI positiver Elektrode. Den thermesche Runaway Ënnerdréckungsmechanismus tëscht dem Material an der Soft Pack Batterie gouf ëmfaassend studéiert. Mat engem net brennbaren perfluorinéierten Elektrolyt gouf eng NMC811 / Gr Pouch-Typ voll Batterie virbereet. D'thermesch Stabilitéit vun NMC811 gouf verbessert vun der in-situ geformt CEI Schutzschicht räich an anorganic LiF. De CEI vu LiF kann effektiv d'Sauerstoffverëffentlechung erliichteren, déi duerch d'Phaseännerung verursaacht gëtt an d'exothermesch Reaktioun tëscht dem begeeschterte NMC811 an dem fluoréierten Elektrolyt hemmen.

Grafesch Guide

Figur 1 Verglach vun thermesch Lafen Charakteristiken vun praktesch NMC811 / Gr pouch-Typ voll Batterie benotzt perfluorinated electrolyte a konventionell electrolyte. No engem Zyklus vun traditionellen (a) EC/EMC an (b) perfluorinéierten FEC/FEMC/HFE Elektrolytbeuteltyp voll Batterien. (c) Konventionell EC / EMC electrolysis an (d) perfluorinated FEC / FEMC / HFE Elektrolyt pouch-Typ voll Batterie Alter no 100 Zyklen.

Fir d'NMC811 / Gr Batterie mat traditionellem Elektrolyt no engem Zyklus (Figure 1a), ass T2 bei 202.5 ​​° C. T2 geschitt wann d'Open-Circuit Spannung fällt. Wéi och ëmmer, den T2 vun der Batterie mat dem perfluorinéierten Elektrolyt erreecht 220.2 ° C (Figure 1b), wat weist datt de perfluorinéierten Elektrolyt d'inherent thermesch Sécherheet vun der Batterie zu engem gewëssen Mooss verbesseren kann wéinst senger méi héijer thermescher Stabilitéit. Wéi d'Batterie alternd fällt den T2 Wäert vun der traditioneller Elektrolytbatterie op 195.2 ° C (Figur 1c). Wéi och ëmmer, den Alterungsprozess beaflosst den T2 vun der Batterie net mat perfluorinéierten Elektrolyte (Figur 1d). Zousätzlech ass de maximalen dT / dt-Wäert vun der Batterie déi traditionell Elektrolyt während TR benotzt, sou héich wéi 113 ° C s-1, während d'Batterie déi perfluorinéiert Elektrolyt benotzt nëmmen 32 ° C s-1 ass. Den Ënnerscheed am T2 vun alternd Batterien kann un der inherenter thermescher Stabilitéit vum erfreelechen NMC811 zougeschriwwe ginn, wat ënner konventionell Elektrolyte reduzéiert gëtt, awer effektiv ënner perfluorinéierten Elektrolyte erhale ka ginn.

Figur 2 Thermal Stabilitéit vun delithiation NMC811 positiv Elektroden an NMC811 / Gr Batterie Mëschung. (A, b) Kontur Kaarte vun C-NMC811 an F-NMC811 Synchrotron héich-Energie XRD an déi entspriechend (003) Diffraktioun Spëtzt Ännerungen. (c) D'Heizung an d'Sauerstoffléisungsverhalen vun der positiver Elektrode vu C-NMC811 a F-NMC811. (d) DSC Curve vun der Probemëschung vun der erfreelecher positiver Elektrode, der lithiéierter negativer Elektrode an der Elektrolyt.

Figuren 2a a b weisen d'HEXRD Kéiren vun erfreelechen NMC81 mat verschiddene CEI Schichten an der Präsenz vu konventionellen Elektrolyte a während der Period vu Raumtemperatur bis 600 ° C. D'Resultater weisen kloer datt an der Präsenz vun engem Elektrolyt eng staark CEI-Schicht fir d'thermesch Stabilitéit vun der Lithium-deposéierter Kathode fördert. Wéi an der Figur 2c gewisen, huet en eenzegen F-NMC811 e méi luesen exothermesche Peak bei 233.8 ° C gewisen, während den C-NMC811 exothermesche Peak bei 227.3 ° C erschéngt. Zousätzlech sinn d'Intensitéit an d'Taux vun der Sauerstoffverëffentlechung verursaacht duerch de Phaseniwwergang vum C-NMC811 méi schwéier wéi déi vum F-NMC811, wat weider bestätegt datt robust CEI déi inherent thermesch Stabilitéit vum F-NMC811 verbessert. Figur 2d mécht en DSC Test op enger Mëschung aus begeeschterten NMC811 an aner entspriechend Batteriekomponenten. Fir konventionell Elektrolyte weisen déi exothermesch Peaks vu Proben mat 1 an 100 Zyklen un datt d'Alterung vun der traditioneller Interface d'thermesch Stabilitéit reduzéiert. Am Géigesaz, fir de perfluorinéierten Elektrolyt, weisen d'Illustratiounen no 1 an 100 Zyklen breet a mëll exothermesch Peaks, am Aklang mat der TR Ausléisertemperatur (T2). D'Resultater (Figur 1) sinn konsequent, wat beweist datt de staarke CEI effektiv d'thermesch Stabilitéit vun den alen a begeeschterte NMC811 an aner Batteriekomponenten verbesseren kann.

Figur 3 Charakteriséierung vun erfreet NMC811 positiv Elektroden am perfluorinated electrolyte. (ab) Querschnitt SEM Biller vun der aler F-NMC811 positiv Elektrode an entspriechend EDS Mapping. (ch) Element Verdeelung. (ij) Querschnitt SEM Bild vun der aler F-NMC811 positiv Elektrode op virtuell xy. (km) Rekonstruktioun vun 3D FIB-SEM Struktur a raimlech Verdeelung vun F Elementer.

Fir déi kontrolléierbar Bildung vu fluorinéierten CEI ze bestätegen, goufen d'Querschnittsmorphologie an d'Elementverdeelung vun der aler NMC811 positiver Elektrode, déi an der aktueller Soft-Pack Batterie erëmfonnt gouf, duerch FIB-SEM charakteriséiert (Dorënner 3 ah). Am perfluorinéierten Elektrolyt gëtt eng eenheetlech fluorinéiert CEI Schicht op der Uewerfläch vum F-NMC811 geformt. Am Géigendeel, C-NMC811 am konventionelle electrolyte feelt F a Formen eng ongläiche CEI Layer. De F Element Inhalt am Querschnitt vum F-NMC811 (Figur 3h) ass méi héich wéi dee vum C-NMC811, wat weider beweist datt d'In-situ Bildung vun der anorganescher fluorinéierter Mesophase de Schlëssel ass fir d'Stabilitéit vum begeeschterte NMC811 z'erhalen. . Mat der Hëllef vun FIB-SEM an EDS Kartéierung, wéi an der Figur 3m gewisen, huet et vill F Elementer am 3D Modell op der Uewerfläch vum F-NMC811 observéiert.

Figur 4a) Element Déift Verdeelung op der Uewerfläch vun der Original a frou NMC811 positiv Elektroden. (ac) FIB-TOF-SIMS sputtert d'Verdeelung vu F, O, a Li Elementer an der positiver Elektrode vum NMC811. (df) D'Uewerfläch Morphologie an Déift Verdeelung vun F, O, a Li Elementer vun NMC811.

FIB-TOF-SEM huet weider d'Déiftverdeelung vun Elementer op der Uewerfläch vun der positiver Elektrode vum NMC811 (Dorënner 4) opgedeckt. Am Verglach mat der Original an C-NMC811 Echantillon, eng bedeitend Erhéijung vun F Signal war an der ieweschter Uewerfläch Layer vun F-NMC811 (Dorënner 4a) fonnt. Zousätzlech weisen déi schwaach O an héich Li Signaler op der Uewerfläch d'Bildung vu F- a Li-räiche CEI Schichten (Dorënner 4b, c). Dës Resultater all bestätegt datt F-NMC811 eng LiF-räich CEI Layer huet. Am Verglach mam CEI vum C-NMC811 enthält d'CEI Schicht vum F-NMC811 méi F a Li Elementer. Zousätzlech, wéi an Fig. 4d-f, aus der Perspektiv vun der Ion Ätzdéift, ass d'Struktur vum ursprénglechen NMC811 méi robust wéi déi vum begeeschterte NMC811. D'Ätzdéift vum alen F-NMC811 ass méi kleng wéi C-NMC811, dat heescht datt F-NMC811 exzellent strukturell Stabilitéit huet.

Figur 5 CEI chemesch Zesummesetzung op der Uewerfläch vun der positiv Elektroden vun NMC811. (a) XPS Spektrum vun NMC811 positiv Elektroden CEI. (bc) XPS C1s an F1s Spektrum vun der Original a frou NMC811 positiv Elektroden CEI. (d) Cryo-Transmissioun Elektronenmikroskop: Element Verdeelung vun F-NMC811. (e) Gefruer TEM Bild vun CEI geformt op F-NMC81. (fg) STEM-HAADF an STEM-ABF Biller vun C-NMC811. (Hallo) STEM-HAADF an STEM-ABF Biller vun F-NMC811.

Si hunn XPS benotzt fir d'chemesch Zesummesetzung vum CEI am NMC811 ze charakteriséieren (Figur 5). Am Géigesaz zum Original C-NMC811 enthält den CEI vum F-NMC811 e grousse F a Li awer kleng C (Figur 5a). D'Reduktioun vun C Arten weist datt LiF-räich CEI F-NMC811 schützen kann andeems d'nohalteg Säitreaktiounen mat Elektrolyte reduzéieren (Dorënner 5b). Zousätzlech, méi kleng Quantitéiten vun CO an C = O weisen datt d'Solvolyse vu F-NMC811 limitéiert ass. Am F1s Spektrum vun XPS (Figure 5c) huet F-NMC811 e mächtege LiF Signal gewisen, wat bestätegt datt CEI eng grouss Quantitéit vu LiF enthält aus fluoréierte Léisungsmëttel. D'Mapping vun de F, O, Ni, Co, a Mn Elementer an der lokaler Géigend op de F-NMC811 Partikelen weist datt d'Detailer gläichméisseg als Ganzt verdeelt sinn (Figure 5d). D'Tieftemperatur TEM Bild an der Figur 5e weist datt CEI als Schutzschicht handele kann fir d'NMC811 positiv Elektrode uniform ze decken. Fir d'strukturell Evolutioun vun der Interface weider ze bestätegen, goufen Experimenter ausgefouert mat héijer Wénkel kreesfërmeg donkelfeld Scannen Transmissioun Elektronenmikroskopie (HAADF-STEM a kreesfërmeg hellfeld Scanner Transmissioun Elektronenmikroskopie (ABF-STEM). Fir de Karbonatelektrolyt (C). -NMC811), D'Uewerfläch vun der zirkuléierender positiver Elektrode huet e schwéiere Phaseännerung erlieft, an op der Uewerfläch vun der positiver Elektrode ass eng gestéiert Fielssalzphase accumuléiert (Figure 5f). Fir den perfluoréierten Elektrolyt ass d'Uewerfläch vum F-NMC811 positiv Elektroden hält eng layered Struktur (Dorënner 5h), besot schiedlech D'Phas gëtt effektiv ënnerdréckt. Zousätzlech, war eng eenheetlech CEI Layer op der Uewerfläch vun F-NMC811 observéiert (Dorënner 5i-g). Dës Resultater beweisen weider d'Uniformitéit vun der CEI Schicht op der positiver Elektroden Uewerfläch vum NMC811 am perfluorinéierten Elektrolyt.

Figur 6a) TOF-SIMS Spektrum vun der interphase Phase op der Uewerfläch vun der NMC811 positiv Elektrode. (ac) Déift Analyse vun spezifesch zweet Ion Fragmenter op der positiv Elektrode vun NMC811. (df) TOF-SIMS chemesche Spektrum vun der zweeter Ion Fragment no 180 Sekonnen vun sputtering op der Original, C-NMC811 an F-NMC811.

C2F-Fragmenter ginn allgemeng als organesch Substanzen vum CEI ugesinn, a LiF2- a PO2-Fragmenter ginn normalerweis als anorganesch Aarte ugesinn. Bedeitend verstäerkte Signaler vun LiF2- an PO2- goufen am Experiment kritt (Dorënner 6a, b), beweist, datt d'CEI Layer vun F-NMC811 eng grouss Zuel vun anorganic Arten enthält. Am Géigendeel, ass d'C2F-Signal vun F-NMC811 méi schwaach wéi déi vun C-NMC811 (Figure 6c), dat heescht, datt d'CEI Layer vun F-NMC811 enthält manner fragil organesch Arten. Weider Fuerschung fonnt (Dorënner 6d-f) datt et méi anorganic Arten am CEI vun F-NMC811 sinn, iwwerdeems et manner anorganic Arten am C-NMC811. All dës Resultater weisen d'Bildung vun enger zolitter anorganescher räicher CEI Schicht am perfluorinéierten Elektrolyt. Am Verglach mat der NMC811 / Gr Soft-Pack Batterie mat engem traditionellen Elektrolyt, kann d'Sécherheetsverbesserung vun der Soft-Pack Batterie mat perfluorinéierten Elektrolyt zougeschriwwe ginn: Éischtens ass d'In-situ Bildung vun enger CEI Schicht reich an anorganesche LiF profitabel. Déi inherent thermesch Stabilitéit vun der erfreelecher NMC811 positiver Elektrode reduzéiert d'Verëffentlechung vum Gitter Sauerstoff verursaacht duerch Phaseniwwergang; zweetens, déi zolidd anorganesch CEI Schutzschicht verhënnert weider datt d'héich reaktiv Delithiatioun NMC811 den Elektrolyt kontaktéiert, wat d'exothermesch Säitreaktioun reduzéiert; drëttens, D'perfluorinated electrolyte huet héich thermesch Stabilitéit bei héijen Temperaturen.

Conclusioun an Auslook

Dës Aarbecht bericht d'Entwécklung vun enger praktescher Gr / NMC811 Pouch-Typ voll Batterie mat engem perfluorinéierten Elektrolyt, wat seng Sécherheetsleistung wesentlech verbessert huet. Intrinsesch thermesch Stabilitéit. Eng detailléiert Studie vum TR Hemmungsmechanismus an der Korrelatioun tëscht Materialien a Batterieniveauen. Den Alterungsprozess beaflosst net d'TR Ausléisertemperatur (T2) vun der perfluorinéierter Elektrolytbatterie während dem ganze Stuerm, wat offensichtlech Virdeeler iwwer d'Alterbatterie huet mat der traditioneller Elektrolyt. Zousätzlech ass den exothermesche Peak konsequent mat den TR-Resultater, wat beweist datt de staarke CEI fir d'thermesch Stabilitéit vun der lithiumfräier positiver Elektrode an aner Batteriekomponenten förderlech ass. Dës Resultater weisen datt den In-situ Kontrolldesign vun der stabiler CEI-Schicht eng wichteg guidéierend Bedeitung fir d'praktesch Applikatioun vu méi séchere High-Energy Lithium-Batterien huet.

Literatur Informatiounen

In-Built Ultraconformal Interphasen Erlaaben High-Safety Praktesch Lithium Batterien, Energielagerungsmaterialien, 2021.