Գլխավոր / Բլոգ / ESM. ներկառուցված գերֆտորացված էլեկտրոլիտի գերհամակարգային միջերես գործնական բարձր էներգիայի լիթիումային մարտկոցների համար

ESM. ներկառուցված գերֆտորացված էլեկտրոլիտի գերհամակարգային միջերես գործնական բարձր էներգիայի լիթիումային մարտկոցների համար

19 Հոկ, 2021

By hoppt

Հետազոտության ֆոնը

Լիթիում-իոնային մարտկոցներում 350 Վտժ կգ-1 նպատակին հասնելու համար կաթոդի նյութը օգտագործում է նիկելով հարուստ շերտավոր օքսիդ (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, որը կոչվում է NMCxyz): Էներգիայի խտության աճով մարդկանց ուշադրությունը գրավել են LIB-ների ջերմային փախուստի հետ կապված վտանգները։ Նյութական տեսանկյունից նիկելով հարուստ դրական էլեկտրոդները անվտանգության լուրջ խնդիրներ ունեն: Ի հավելումն, մարտկոցի այլ բաղադրիչների օքսիդացումը/խաչաձևը, ինչպիսիք են օրգանական հեղուկները և բացասական էլեկտրոդները, կարող են նաև առաջացնել ջերմային արտահոսք, որը համարվում է անվտանգության խնդիրների հիմնական պատճառը: Էլեկտրոդ-էլեկտրոլիտ կայուն միջերեսի տեղում կառավարելի ձևավորումը առաջնային ռազմավարությունն է բարձր էներգիայի խտության լիթիումի վրա հիմնված մարտկոցների հաջորդ սերնդի համար: Մասնավորապես, պինդ և խիտ կաթոդ-էլեկտրոլիտային միջֆազը (CEI) բարձր ջերմային կայունությամբ անօրգանական բաղադրիչներով կարող է լուծել անվտանգության խնդիրը՝ արգելակելով թթվածնի արտազատումը: Առայժմ CEI կաթոդով ձևափոխված նյութերի և մարտկոցի մակարդակի անվտանգության վերաբերյալ հետազոտությունների պակաս կա:

Ձեռքբերումների ցուցադրում

Վերջերս, Ֆեն Սյունինգը, Վան Լին և Օույան Մինգգաոն Ցինհուա համալսարանից հրատարակեցին «Ներկառուցված ուլտրակոնֆորմալ միջերեսները թույլ են տալիս բարձր անվտանգությամբ գործնական լիթիումային մարտկոցներ» հետազոտական ​​աշխատանք՝ էներգիայի պահպանման նյութերի վերաբերյալ: Հեղինակը գնահատել է գործնական NMC811/Gr փափուկ փաթեթավորված լիարժեք մարտկոցի անվտանգության գործունակությունը և համապատասխան CEI դրական էլեկտրոդի ջերմային կայունությունը: Համակողմանիորեն ուսումնասիրվել է նյութի և փափուկ փաթեթի մարտկոցի միջև ջերմային փախուստի ճնշման մեխանիզմը: Օգտագործելով ոչ դյուրավառ պերֆտորացված էլեկտրոլիտ, պատրաստվել է NMC811/Gr տոպրակի տիպի լրիվ մարտկոց: NMC811-ի ջերմային կայունությունը բարելավվել է տեղում ձևավորված CEI պաշտպանիչ շերտով, որը հարուստ է անօրգանական LiF-ով: LiF-ի CEI-ն կարող է արդյունավետորեն մեղմել փուլային փոփոխության հետևանքով առաջացած թթվածնի արտազատումը և զսպել էկզոտերմիկ ռեակցիան հիացած NMC811-ի և ֆտորացված էլեկտրոլիտի միջև:

Գրաֆիկական ուղեցույց

Նկար 1 Գործնական NMC811/Gr տոպրակի տիպի լրիվ մարտկոցի ջերմային արտանետման բնութագրերի համեմատություն՝ օգտագործելով պերֆտորացված էլեկտրոլիտ և սովորական էլեկտրոլիտ: Ավանդական (ա) EC/EMC և (բ) պերֆտորացված FEC/FEMC/HFE էլեկտրոլիտային պարկի տիպի լրիվ մարտկոցների մեկ ցիկլից հետո: (գ) Սովորական EC/EMC էլեկտրոլիզ և (դ) պերֆտորացված FEC/FEMC/HFE էլեկտրոլիտային պարկի տիպի լրիվ մարտկոց, որը հնացել է 100 ցիկլից հետո:

Ավանդական էլեկտրոլիտով NMC811/Gr մարտկոցի համար մեկ ցիկլից հետո (Նկար 1ա) T2-ը 202.5°C է: T2-ն առաջանում է, երբ բաց շղթայի լարումը նվազում է: Այնուամենայնիվ, պերֆտորացված էլեկտրոլիտ օգտագործող մարտկոցի T2-ը հասնում է 220.2°C-ի (Նկար 1b), ինչը ցույց է տալիս, որ պերֆտորացված էլեկտրոլիտը կարող է որոշակիորեն բարելավել մարտկոցի բնորոշ ջերմային անվտանգությունը՝ շնորհիվ դրա ավելի բարձր ջերմային կայունության: Քանի որ մարտկոցը ծերանում է, ավանդական էլեկտրոլիտային մարտկոցի T2 արժեքը նվազում է մինչև 195.2 °C (Նկար 1c): Այնուամենայնիվ, ծերացման գործընթացը չի ազդում մարտկոցի T2-ի վրա՝ օգտագործելով պերֆտորացված էլեկտրոլիտներ (Նկար 1դ): Բացի այդ, TR-ի ժամանակ ավանդական էլեկտրոլիտ օգտագործող մարտկոցի առավելագույն dT/dt արժեքը հասնում է մինչև 113°C s-1, մինչդեռ պերֆտորացված էլեկտրոլիտ օգտագործող մարտկոցը կազմում է ընդամենը 32°C s-1: Ծերացող մարտկոցների T2-ի տարբերությունը կարելի է վերագրել հիացած NMC811-ի բնորոշ ջերմային կայունությանը, որը կրճատվում է սովորական էլեկտրոլիտների դեպքում, բայց կարող է արդյունավետորեն պահպանվել պերֆտորացված էլեկտրոլիտների տակ:

Նկար 2 Դելիթիացիոն NMC811 դրական էլեկտրոդի և NMC811/Gr մարտկոցի խառնուրդի ջերմային կայունությունը: (A,b) C-NMC811 և F-NMC811 սինքրոտրոնային բարձր էներգիայի XRD-ի ուրվագծային քարտեզներ և համապատասխան (003) դիֆրակցիոն գագաթնակետային փոփոխություններ: գ) C-NMC811-ի և F-NMC811-ի դրական էլեկտրոդի տաքացման և թթվածնի արտազատման վարքագիծը: դ) Հիացած դրական էլեկտրոդի, լիթիացված բացասական էլեկտրոդի և էլեկտրոլիտի նմուշային խառնուրդի DSC կորը:

Նկարներ 2a և b ցույց են տալիս հիացած NMC81-ի HEXRD կորերը՝ տարբեր CEI շերտերով սովորական էլեկտրոլիտների առկայության դեպքում և սենյակային ջերմաստիճանից մինչև 600°C ընկած ժամանակահատվածում: Արդյունքները հստակ ցույց են տալիս, որ էլեկտրոլիտի առկայության դեպքում ուժեղ CEI շերտը նպաստում է լիթիումի դեպոզիցիոն կաթոդի ջերմային կայունությանը: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 2c-ում, մեկ F-NMC811-ը ցույց է տվել ավելի դանդաղ էկզոթերմիկ գագաթնակետ 233.8°C-ում, մինչդեռ C-NMC811 էկզոթերմիկ գագաթը հայտնվել է 227.3°C ջերմաստիճանում: Բացի այդ, C-NMC811-ի փուլային անցման հետևանքով առաջացած թթվածնի արտազատման ինտենսիվությունը և արագությունը ավելի ծանր են, քան F-NMC811-ի ֆազայինները, ինչը հետագայում հաստատում է, որ ամուր CEI-ն բարելավում է F-NMC811-ի բնորոշ ջերմային կայունությունը: Նկար 2d-ը կատարում է DSC փորձարկում հիացած NMC811-ի և մարտկոցի այլ համապատասխան բաղադրիչների խառնուրդի վրա: Սովորական էլեկտրոլիտների դեպքում 1 և 100 ցիկլերով նմուշների էկզոթերմիկ գագաթները ցույց են տալիս, որ ավանդական միջերեսի ծերացումը կնվազեցնի ջերմային կայունությունը: Ի հակադրություն, պերֆտորացված էլեկտրոլիտի համար 1 և 100 ցիկլերից հետո նկարները ցույց են տալիս լայն և մեղմ էկզոտերմիկ գագաթներ՝ համահունչ TR ձգանման ջերմաստիճանին (T2): Արդյունքները (Նկար 1) համահունչ են, ինչը ցույց է տալիս, որ ուժեղ CEI-ը կարող է արդյունավետորեն բարելավել հնացած և հիացած NMC811-ի և մարտկոցի այլ բաղադրիչների ջերմային կայունությունը:

Նկար 3 Հիացած NMC811 դրական էլեկտրոդի բնութագրումը պերֆտորացված էլեկտրոլիտում: (աբ) Տարեց F-NMC811 դրական էլեկտրոդի խաչմերուկային SEM պատկերներ և համապատասխան EDS քարտեզագրում: (գ) Տարրերի բաշխում. (ij) Տարեց F-NMC811 դրական էլեկտրոդի խաչաձեւ SEM պատկերը վիրտուալ xy-ի վրա: (կմ) 3D FIB-SEM կառուցվածքի վերակառուցում և F տարրերի տարածական բաշխում.

Ֆտորացված CEI-ի վերահսկելի ձևավորումը հաստատելու համար իրական փափուկ փաթեթի մարտկոցում հայտնաբերված հնացած NMC811 դրական էլեկտրոդի խաչմերուկային ձևաբանությունը և տարրերի բաշխումը բնութագրվել է FIB-SEM-ով (Նկար 3 ah): Պերֆտորացված էլեկտրոլիտում F-NMC811-ի մակերեսի վրա ձևավորվում է միատեսակ ֆտորացված CEI շերտ: Ընդհակառակը, C-NMC811-ը սովորական էլեկտրոլիտում չունի F-ն և կազմում է անհավասար CEI շերտ: F-տարրերի պարունակությունը F-NMC811-ի խաչմերուկում (Նկար 3h) ավելի բարձր է, քան C-NMC811-ը, ինչը հետագայում ապացուցում է, որ անօրգանական ֆտորացված մեզոֆազի տեղում ձևավորումը գրավիչ NMC811-ի կայունությունը պահպանելու բանալին է: . FIB-SEM և EDS քարտեզագրման օգնությամբ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 3m-ում, F-NMC3-ի մակերեսին 811D մոդելում դիտարկել է բազմաթիվ F տարրեր:

Նկար 4ա) Տարրերի խորության բաշխումը բնօրինակ և հիացած NMC811 դրական էլեկտրոդի մակերեսին: (ակ) FIB-TOF-SIMS-ը ցրում է F, O և Li տարրերի բաշխումը NMC811-ի դրական էլեկտրոդում: (df) NMC811-ի F, O և Li տարրերի մակերեսային մորֆոլոգիան և խորության բաշխումը:

FIB-TOF-SEM-ը հետագայում բացահայտեց տարրերի խորության բաշխումը NMC811-ի դրական էլեկտրոդի մակերեսի վրա (Նկար 4): Համեմատած բնօրինակ և C-NMC811 նմուշների հետ, F ազդանշանի զգալի աճ է հայտնաբերվել F-NMC811-ի վերին մակերեսային շերտում (Նկար 4ա): Բացի այդ, մակերեսի վրա թույլ O և բարձր Li-ի ազդանշանները ցույց են տալիս F- և Li-ով հարուստ CEI շերտերի ձևավորում (Նկար 4b, c): Այս արդյունքները բոլորը հաստատեցին, որ F-NMC811-ն ունի LiF-ով հարուստ CEI շերտ: Համեմատած C-NMC811-ի CEI-ի հետ, F-NMC811-ի CEI շերտը պարունակում է ավելի շատ F և Li տարրեր: Բացի այդ, ինչպես ցույց է տրված ՆԿ. 4d-f, իոնային փորագրման խորության տեսանկյունից, բնօրինակ NMC811-ի կառուցվածքն ավելի ամուր է, քան հիացած NMC811-ի կառուցվածքը: Հին F-NMC811-ի փորագրման խորությունը ավելի փոքր է, քան C-NMC811-ը, ինչը նշանակում է, որ F-NMC811-ն ունի գերազանց կառուցվածքային կայունություն:

Նկար 5 CEI քիմիական կազմը NMC811-ի դրական էլեկտրոդի մակերեսին: ա) NMC811 դրական էլեկտրոդի CEI-ի XPS սպեկտրը: (bc) XPS C1s և F1s սպեկտրները բնօրինակ և հիացած NMC811 դրական էլեկտրոդի CEI-ից: դ) Կրիո-հաղորդման էլեկտրոնային մանրադիտակ. F-NMC811-ի տարրերի բաշխում: (ե) F-NMC81-ի վրա ձևավորված CEI-ի սառեցված TEM պատկերը: (fg) C-NMC811-ի STEM-HAADF և STEM-ABF պատկերներ: (hi) F-NMC811-ի STEM-HAADF և STEM-ABF պատկերներ:

Նրանք օգտագործել են XPS՝ NMC811-ում CEI-ի քիմիական կազմը բնութագրելու համար (Նկար 5): Ի տարբերություն բնօրինակ C-NMC811-ի, F-NMC811-ի CEI-ը պարունակում է մեծ F և Li, բայց փոքր C (Նկար 5ա): C տեսակների կրճատումը ցույց է տալիս, որ LiF-ով հարուստ CEI-ը կարող է պաշտպանել F-NMC811-ը՝ նվազեցնելով կայուն կողմնակի ռեակցիաները էլեկտրոլիտներով (Նկար 5b): Բացի այդ, CO-ի և C=O-ի ավելի փոքր քանակությունները ցույց են տալիս, որ F-NMC811-ի սոլվոլիզը սահմանափակ է: XPS-ի F1s սպեկտրում (Նկար 5c) F-NMC811-ը ցույց տվեց հզոր LiF ազդանշան՝ հաստատելով, որ CEI-ը պարունակում է մեծ քանակությամբ LiF՝ ստացված ֆտորացված լուծիչներից: F, O, Ni, Co և Mn տարրերի քարտեզագրումը տեղական տարածքում F-NMC811 մասնիկների վրա ցույց է տալիս, որ դետալները միատեսակ բաշխված են որպես ամբողջություն (Նկար 5դ): Ցածր ջերմաստիճանի TEM պատկերը Նկար 5e-ում ցույց է տալիս, որ CEI-ը կարող է հանդես գալ որպես պաշտպանիչ շերտ՝ միատեսակ ծածկելու NMC811 դրական էլեկտրոդը: Միջերեսի կառուցվածքային էվոլյուցիան հետագայում հաստատելու համար իրականացվել են բարձր անկյան շրջանաձև մուգ դաշտի սկանավորող փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակ (HAADF-STEM և շրջանաձև պայծառ դաշտի սկանավորման փոխանցման էլեկտրոնային միկրոսկոպիա (ABF-STEM): Կարբոնատային էլեկտրոլիտի համար (C) -NMC811), շրջանառվող դրական էլեկտրոդի մակերեսը ենթարկվել է լուրջ փուլային փոփոխության, և դրական էլեկտրոդի մակերևույթի վրա կուտակվում է անկանոն ապարային աղի փուլ (Նկար 5f): Պերֆտորացված էլեկտրոլիտի համար՝ F-NMC811-ի մակերեսը: դրական էլեկտրոդը պահպանում է շերտավոր կառուցվածքը (Նկար 5h), ինչը ցույց է տալիս վնասակար: CEI շերտը NMC811-ի դրական էլեկտրոդի մակերեսի վրա պերֆտորացված էլեկտրոլիտում:

Նկար 6ա) NMC811 դրական էլեկտրոդի մակերեսի միջֆազային փուլի TOF-SIMS սպեկտրը: (ակ) NMC811-ի դրական էլեկտրոդի վրա հատուկ երկրորդ իոնային բեկորների խորը վերլուծություն: դզ) TOF-SIMS երկրորդ իոնային բեկորի քիմիական սպեկտրը սկզբնական C-NMC180-ի և F-NMC811-ի վրա 811 վայրկյան ցրվելուց հետո:

C2F-բեկորները սովորաբար համարվում են CEI-ի օրգանական նյութեր, իսկ LiF2- և PO2-բեկորները սովորաբար համարվում են անօրգանական տեսակներ: Փորձարկումից ստացվել են LiF2- և PO2--ի զգալիորեն ուժեղացված ազդանշաններ (Նկար 6ա, բ), ինչը ցույց է տալիս, որ F-NMC811-ի CEI շերտը պարունակում է մեծ թվով անօրգանական տեսակներ: Ընդհակառակը, F-NMC2-ի C811F-ազդանշանն ավելի թույլ է, քան C-NMC811-ը (Նկար 6c), ինչը նշանակում է, որ F-NMC811-ի CEI շերտը պարունակում է ավելի քիչ փխրուն օրգանական տեսակներ: Հետագա հետազոտությունները պարզեցին (Նկար 6d-f), որ F-NMC811-ի CEI-ում կան ավելի շատ անօրգանական տեսակներ, մինչդեռ C-NMC811-ում կան ավելի քիչ անօրգանական տեսակներ: Այս բոլոր արդյունքները ցույց են տալիս պերֆտորացված էլեկտրոլիտում պինդ անօրգանական հարուստ CEI շերտի ձևավորումը: Համեմատած ավանդական էլեկտրոլիտ օգտագործող NMC811/Gr փափուկ փաթեթի մարտկոցի հետ, պերֆտորացված էլեկտրոլիտի օգտագործմամբ փափուկ փաթեթի մարտկոցի անվտանգության բարելավումը կարելի է վերագրել հետևյալին. Ուրախ NMC811 դրական էլեկտրոդի բնորոշ ջերմային կայունությունը նվազեցնում է ցանցային թթվածնի արտազատումը փուլային անցման հետևանքով. երկրորդը, պինդ անօրգանական CEI պաշտպանիչ շերտը հետագայում կանխում է բարձր ռեակտիվ դելիթիացիային NMC811-ը էլեկտրոլիտի հետ շփվելուց՝ նվազեցնելով կողմնակի էկզոտերմիկ ռեակցիան. երրորդ, պերֆտորացված էլեկտրոլիտը բարձր ջերմային կայունություն ունի բարձր ջերմաստիճաններում:

Եզրակացություն և հեռանկար

Այս աշխատանքը զեկուցել է գործնական Gr/NMC811 տոպրակի տիպի լիարժեք մարտկոցի մշակման մասին, որն օգտագործում է պերֆտորացված էլեկտրոլիտ, ինչը զգալիորեն բարելավում է դրա անվտանգության արդյունավետությունը: Ներքին ջերմային կայունություն: TR արգելակման մեխանիզմի և նյութերի և մարտկոցի մակարդակների միջև հարաբերակցության խորը ուսումնասիրություն: Ծերացման գործընթացը չի ազդում պերֆտորացված էլեկտրոլիտային մարտկոցի TR ձգան ջերմաստիճանի վրա (T2) ողջ փոթորկի ընթացքում, որն ակնհայտ առավելություններ ունի ավանդական էլեկտրոլիտ օգտագործող ծերացող մարտկոցի նկատմամբ: Բացի այդ, էկզոտերմիկ գագաթնակետը համապատասխանում է TR արդյունքներին, ինչը ցույց է տալիս, որ ուժեղ CEI-ն նպաստում է լիթիումից զերծ դրական էլեկտրոդի և մարտկոցի այլ բաղադրիչների ջերմային կայունությանը: Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ կայուն CEI շերտի insitu կառավարման դիզայնը կարևոր ուղղորդող նշանակություն ունի ավելի անվտանգ բարձր էներգիայի լիթիումային մարտկոցների գործնական կիրառման համար:

Գրական տեղեկատվություն

Ներկառուցված Ultraconformal Interphases-ը հնարավորություն է տալիս բարձր անվտանգությամբ գործնական լիթիումային մարտկոցներ, էներգիայի պահպանման նյութեր, 2021 թ.

փակել_սպիտակ
սերտ

Հարցում գրեք այստեղ

պատասխանեք 6 ժամվա ընթացքում, ցանկացած հարց ողջունելի է:

    [class^="wpforms-"]
    [class^="wpforms-"]