ESM: व्यावहारिक उच्च-ऊर्जा लिथियम ब्याट्रीहरूको लागि perfluorinated इलेक्ट्रोलाइटको अन्तर्निर्मित अल्ट्रा-कन्फर्मल इन्टरफेस

अनुसन्धान पृष्ठभूमि

लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूमा, 350 Wh Kg-1 को लक्ष्य हासिल गर्न, क्याथोड सामग्रीले निकेल-रिच स्तरित अक्साइड (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, NMCxyz भनिन्छ) प्रयोग गर्दछ। ऊर्जा घनत्वको वृद्धिसँगै, LIBs को थर्मल रनअवेसँग सम्बन्धित खतराहरूले मानिसहरूको ध्यान आकर्षित गरेको छ। भौतिक परिप्रेक्ष्यबाट, निकल-धनी सकारात्मक इलेक्ट्रोडहरूमा गम्भीर सुरक्षा समस्याहरू छन्। थप रूपमा, अर्गानिक तरल पदार्थ र नकारात्मक इलेक्ट्रोड जस्ता ब्याट्री कम्पोनेन्टहरूको ओक्सीकरण/क्रसस्टल्कले पनि थर्मल रनअवे ट्रिगर गर्न सक्छ, जुन सुरक्षा समस्याहरूको प्रमुख कारण मानिन्छ। स्थिर इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेसको इन-सिटु कन्ट्रोल योग्य गठन उच्च-ऊर्जा-घनत्व लिथियम-आधारित ब्याट्रीहरूको अर्को पुस्ताको लागि प्राथमिक रणनीति हो। विशेष गरी, उच्च थर्मल स्थिरता अकार्बनिक घटकहरूको साथ ठोस र घने क्याथोड-इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस (CEI) ले अक्सिजनको रिलीजलाई रोकेर सुरक्षा समस्या समाधान गर्न सक्छ। अहिलेसम्म, CEI क्याथोड-परिमार्जित सामग्री र ब्याट्री-स्तर सुरक्षामा अनुसन्धानको कमी छ।

उपलब्धि प्रदर्शन

भर्खरै, सिङ्हुआ विश्वविद्यालयका फेंग सुनिङ, वाङ ली, र ओयाङ मिङगाओले ऊर्जा भण्डारण सामग्रीहरूमा "इन-बिल्ट अल्ट्राकन्फर्मल इन्टरफेसले उच्च-सुरक्षा व्यावहारिक लिथियम ब्याट्रीहरू सक्षम पार्छन्" शीर्षकको एक शोध पत्र प्रकाशित गर्नुभयो। लेखकले व्यावहारिक NMC811/Gr सफ्ट-प्याक गरिएको पूर्ण ब्याट्रीको सुरक्षा प्रदर्शन र सम्बन्धित CEI सकारात्मक इलेक्ट्रोडको थर्मल स्थिरताको मूल्याङ्कन गर्नुभयो। सामग्री र सफ्ट प्याक ब्याट्री बीचको थर्मल रनअवे दमन संयन्त्र व्यापक रूपमा अध्ययन गरिएको छ। गैर-ज्वलनशील परफ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरेर, NMC811/Gr पाउच-प्रकारको पूर्ण ब्याट्री तयार गरिएको थियो। NMC811 को थर्मल स्थिरता in-situ गठन गरिएको CEI सुरक्षात्मक तहले अकार्बनिक LiF मा समृद्ध द्वारा सुधार गरिएको थियो। LiF को CEI ले चरण परिवर्तनको कारणले गर्दा हुने अक्सिजन रिलिजलाई प्रभावकारी रूपमा कम गर्न सक्छ र प्रसन्न NMC811 र फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट बीचको एक्जोथर्मिक प्रतिक्रियालाई रोक्न सक्छ।

ग्राफिक गाइड

चित्र 1 व्यावहारिक NMC811/Gr पाउच-प्रकार पूर्ण ब्याट्रीको थर्मल रनअवे विशेषताहरूको तुलना पर्फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट र परम्परागत इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरेर। परम्परागत (a) EC/EMC र (b) perfluorinated FEC/FEMC/HFE इलेक्ट्रोलाइट पाउच प्रकारको पूर्ण ब्याट्रीहरूको एक चक्र पछि। (c) परम्परागत EC/EMC इलेक्ट्रोलाइसिस र (d) perfluorinated FEC/FEMC/HFE इलेक्ट्रोलाइट पाउच-प्रकार पूर्ण ब्याट्री 100 चक्र पछि पुरानो।

NMC811/Gr ब्याट्रीको लागि एक चक्र पछि परम्परागत इलेक्ट्रोलाइट (चित्र 1a), T2 202.5°C मा छ। T2 तब हुन्छ जब ओपन-सर्किट भोल्टेज घट्छ। यद्यपि, perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरेर ब्याट्रीको T2 220.2°C (चित्र 1b) मा पुग्छ, जसले देखाउँछ कि perfluorinated इलेक्ट्रोलाइटले यसको उच्च थर्मल स्थिरताको कारण ब्याट्रीको अन्तर्निहित थर्मल सुरक्षालाई केही हदसम्म सुधार गर्न सक्छ। ब्याट्रीको उमेर बढ्दै जाँदा, परम्परागत इलेक्ट्रोलाइट ब्याट्रीको T2 मान 195.2 °C (चित्र 1c) मा झर्छ। यद्यपि, बुढ्यौली प्रक्रियाले पर्फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट्स (चित्र 2d) प्रयोग गरेर ब्याट्रीको T1 लाई असर गर्दैन। थप रूपमा, TR को समयमा परम्परागत इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गर्ने ब्याट्रीको अधिकतम dT/dt मान 113°C s-1 जति उच्च हुन्छ, जबकि perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गर्ने ब्याट्री मात्र 32°C s-1 हुन्छ। बुढ्यौली ब्याट्रीहरूको T2 मा भिन्नतालाई खुशी NMC811 को अन्तर्निहित थर्मल स्थिरतामा श्रेय दिन सकिन्छ, जुन परम्परागत इलेक्ट्रोलाइटहरू अन्तर्गत कम हुन्छ, तर प्रभावकारी रूपमा पर्फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइटहरू अन्तर्गत कायम राख्न सकिन्छ।

चित्र 2 डेलिथिएशन NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड र NMC811/Gr ब्याट्री मिश्रणको थर्मल स्थिरता। (A,b) C-NMC811 र F-NMC811 सिन्क्रोट्रोन उच्च-ऊर्जा XRD को समोच्च नक्सा र सम्बन्धित (003) विवर्तन शिखर परिवर्तनहरू। (c) C-NMC811 र F-NMC811 को सकारात्मक इलेक्ट्रोडको ताप र अक्सिजन रिलीज व्यवहार। (d) प्रसन्न सकारात्मक इलेक्ट्रोड, लिथिएटेड नकारात्मक इलेक्ट्रोड, र इलेक्ट्रोलाइटको नमूना मिश्रणको DSC वक्र।

फिगर 2a र b ले पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट्सको उपस्थितिमा र कोठाको तापक्रम देखि 81°C सम्मको अवधिमा विभिन्न CEI तहहरू सहित प्रसन्न NMC600 को HEXRD कर्भहरू देखाउँछन्। परिणामहरूले स्पष्ट रूपमा देखाउँछन् कि इलेक्ट्रोलाइटको उपस्थितिमा, एक बलियो CEI तह लिथियम-जमा गरिएको क्याथोडको थर्मल स्थिरताको लागि अनुकूल छ। चित्र 2c मा देखाइए अनुसार, एकल F-NMC811 ले 233.8°C मा एक ढिलो एक्झोथर्मिक शिखर देखायो, जबकि C-NMC811 एक्झोथर्मिक शिखर 227.3°C मा देखा पर्‍यो। थप रूपमा, C-NMC811 को चरण संक्रमणको कारणले गर्दा अक्सिजन रिलिजको तीव्रता र दर F-NMC811 को भन्दा बढी गम्भीर छ, थप पुष्टि गर्दछ कि बलियो CEI ले F-NMC811 को अन्तर्निहित थर्मल स्थिरता सुधार गर्दछ। Figure 2d ले खुशी NMC811 र अन्य सम्बन्धित ब्याट्री कम्पोनेन्टहरूको मिश्रणमा DSC परीक्षण गर्छ। परम्परागत इलेक्ट्रोलाइटहरूका लागि, 1 र 100 चक्रहरू भएका नमूनाहरूको एक्जोथर्मिक चुचुराहरूले परम्परागत इन्टरफेसको उमेरले थर्मल स्थिरता घटाउने संकेत गर्छ। यसको विपरित, परफ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइटको लागि, 1 र 100 चक्र पछिका चित्रहरूले TR ट्रिगर तापमान (T2) सँग लाइनमा फराकिलो र हल्का एक्जोथर्मिक शिखरहरू देखाउँछन्। परिणामहरू (चित्र 1) एकरूप छन्, बलियो CEI ले वृद्ध र आनन्दित NMC811 र अन्य ब्याट्री कम्पोनेन्टहरूको थर्मल स्थिरतालाई प्रभावकारी रूपमा सुधार गर्न सक्छ भन्ने सङ्केत गर्दछ।

चित्र 3 परफ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइटमा खुशी NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोडको विशेषता। (ab) पुरानो F-NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड र सम्बन्धित EDS म्यापिङको क्रस-सेक्शनल SEM छविहरू। (ch) तत्व वितरण। (ij) भर्चुअल xy मा वृद्ध F-NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोडको क्रस-सेक्शनल SEM छवि। (km) 3D FIB-SEM संरचनाको पुनर्निर्माण र F तत्वहरूको स्थानिय वितरण।

फ्लोरिनेटेड CEI को नियन्त्रण योग्य गठन पुष्टि गर्न, वास्तविक सफ्ट-प्याक ब्याट्रीमा बरामद भएको उमेरको NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोडको क्रस-सेक्शनल मोर्फोलजी र तत्व वितरण FIB-SEM (चित्र 3 आह) द्वारा विशेषता थियो। परफ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइटमा, F-NMC811 को सतहमा एक समान फ्लोरिनेटेड CEI तह बनाइन्छ। यसको विपरित, परम्परागत इलेक्ट्रोलाइटमा C-NMC811 F को अभाव हुन्छ र असमान CEI तह बनाउँछ। F-NMC811 (चित्र 3h) को क्रस-सेक्शनमा F तत्व सामग्री C-NMC811 भन्दा उच्च छ, जसले थप प्रमाणित गर्दछ कि अकार्बनिक फ्लोरिनेटेड मेसोफेसको इन-सिटू गठन नै प्रसन्न NMC811 को स्थिरता कायम राख्ने कुञ्जी हो। । FIB-SEM र EDS म्यापिङको सहयोगमा, चित्र 3m मा देखाइए अनुसार, यसले F-NMC3 को सतहमा 811D मोडेलमा धेरै F तत्वहरू अवलोकन गर्यो।

चित्र 4a) मूल र खुशी NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड को सतह मा तत्व गहिराई वितरण। (ac) FIB-TOF-SIMS ले NMC811 को सकारात्मक इलेक्ट्रोडमा F, O, र Li तत्वहरूको वितरणलाई स्पटर गर्दैछ। (df) NMC811 को F, O, र Li तत्वहरूको सतह आकारविज्ञान र गहिराइ वितरण।

FIB-TOF-SEM ले NMC811 (चित्र 4) को सकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहमा तत्वहरूको गहिराइ वितरणलाई थप खुलासा गर्‍यो। मूल र C-NMC811 नमूनाहरूसँग तुलना गर्दा, F-NMC811 (चित्र 4a) को शीर्ष सतह तहमा F संकेतमा उल्लेखनीय वृद्धि फेला पर्यो। थप रूपमा, सतहमा कमजोर O र उच्च Li संकेतहरूले F- र Li-rich CEI तहहरू (चित्र 4b, c) को गठनलाई संकेत गर्दछ। यी परिणामहरूले F-NMC811 सँग LiF- धनी CEI तह छ भनी पुष्टि गर्‍यो। C-NMC811 को CEI सँग तुलना गर्दा, F-NMC811 को CEI तहले F र Li तत्वहरू समावेश गर्दछ। थप रूपमा, FIGS मा देखाइएको रूपमा। 4d-f, आयन एचिंग गहिराइको परिप्रेक्ष्यबाट, मूल NMC811 को संरचना खुशी NMC811 को भन्दा बढी बलियो छ। पुरानो F-NMC811 को ईच गहिराई C-NMC811 भन्दा सानो छ, जसको मतलब F-NMC811 मा उत्कृष्ट संरचनात्मक स्थिरता छ।

NMC5 को सकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहमा चित्र 811 CEI रासायनिक संरचना। (a) NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड CEI को XPS स्पेक्ट्रम। (bc) XPS C1s र F1s मौलिक र खुशी NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड CEI को स्पेक्ट्रा। (d) क्रायो-ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप: F-NMC811 को तत्व वितरण। (e) F-NMC81 मा बनाइएको CEI को जमेको TEM छवि। (fg) C-NMC811 को STEM-HAADF र STEM-ABF छविहरू। (hi) F-NMC811 को STEM-HAADF र STEM-ABF छविहरू।

तिनीहरूले NMC811 (चित्र 5) मा CEI को रासायनिक संरचना विशेषता गर्न XPS प्रयोग गरे। मूल C-NMC811 को विपरीत, F-NMC811 को CEI ले ठूलो F र Li तर सानो C (चित्र 5a) समावेश गर्दछ। C प्रजातिहरूको कमीले LiF-rich CEI ले F-NMC811 लाई इलेक्ट्रोलाइट्स (चित्र 5b) सँग दिगो साइड प्रतिक्रियाहरू घटाएर सुरक्षा गर्न सक्छ भन्ने संकेत गर्छ। थप रूपमा, CO र C=O को सानो मात्राले F-NMC811 को solvolysis सीमित छ भनेर संकेत गर्दछ। XPS (चित्र 1c) को F5s स्पेक्ट्रममा, F-NMC811 ले शक्तिशाली LiF संकेत देखायो, CEI ले फ्लोरिनेटेड सॉल्भेन्ट्सबाट व्युत्पन्न ठूलो मात्रामा LiF समावेश गर्दछ। F-NMC811 कणहरूमा स्थानीय क्षेत्रमा F, O, Ni, Co, र Mn तत्वहरूको म्यापिङले विवरणहरू समग्र रूपमा समान रूपमा वितरण गरिएको देखाउँछ (चित्र 5d)। चित्र 5e मा कम-तापमान TEM छविले देखाउँछ कि CEI ले NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोडलाई समान रूपमा कभर गर्न सुरक्षात्मक तहको रूपमा कार्य गर्न सक्छ। इन्टरफेसको संरचनात्मक विकासलाई थप पुष्टि गर्न, उच्च कोण सर्कुलर डार्क-फिल्ड स्क्यानिङ ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (HAADF-STEM र सर्कुलर ब्राइट-फिल्ड स्क्यानिङ ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (ABF-STEM) प्रयोगहरू गरियो। कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट (C) को लागि। -NMC811), परिसंचरण सकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहमा गम्भीर चरण परिवर्तन भएको छ, र सकारात्मक इलेक्ट्रोड (चित्र 5f) को सतहमा एक अव्यवस्थित रक नुन चरण जम्मा भएको छ। परफ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइटको लागि, F-NMC811 को सतह। सकारात्मक इलेक्ट्रोडले स्तरित संरचना (चित्र 5h) कायम राख्छ, हानिकारक संकेत गर्दछ चरण प्रभावकारी रूपमा दबाइन्छ। साथै, F-NMC811 (चित्र 5i-g) को सतहमा एक समान CEI तह अवलोकन गरिएको थियो। यी परिणामहरूले थप एकरूपता प्रमाणित गर्दछ। परफ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइटमा NMC811 को सकारात्मक इलेक्ट्रोड सतहमा CEI तह।

चित्र 6a) NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहमा इन्टरफेस चरणको TOF-SIMS स्पेक्ट्रम। (ac) NMC811 को सकारात्मक इलेक्ट्रोडमा विशिष्ट दोस्रो आयन टुक्राहरूको गहन विश्लेषण। (df) मूल, C-NMC180 र F-NMC811 मा 811 सेकेन्ड स्पटरिंग पछि दोस्रो आयन टुक्राको TOF-SIMS रासायनिक स्पेक्ट्रम।

C2F- टुक्राहरूलाई सामान्यतया CEI को जैविक पदार्थहरू मानिन्छ, र LiF2- र PO2- टुक्राहरूलाई सामान्यतया अकार्बनिक प्रजातिहरू मानिन्छ। LiF2- र PO2- को महत्त्वपूर्ण रूपमा परिष्कृत संकेतहरू प्रयोगमा प्राप्त गरियो (चित्र 6a, b), यसले संकेत गर्दछ कि F-NMC811 को CEI तहले ठूलो संख्यामा अकार्बनिक प्रजातिहरू समावेश गर्दछ। यसको विपरित, F-NMC2 को C811F-सिग्नल C-NMC811 (चित्र 6c) को भन्दा कमजोर छ, जसको अर्थ F-NMC811 को CEI तहमा कम कमजोर जैविक प्रजातिहरू छन्। थप अनुसन्धानले फेला पारेको छ (चित्र 6d-f) F-NMC811 को CEI मा अधिक अकार्बनिक प्रजातिहरू छन्, जबकि C-NMC811 मा कम अकार्बनिक प्रजातिहरू छन्। यी सबै नतिजाहरूले पर्फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइटमा ठोस अकार्बनिक-धनी सीईआई तहको गठन देखाउँछन्। परम्परागत इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरी NMC811/Gr सफ्ट-प्याक ब्याट्रीसँग तुलना गर्दा, पर्फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरेर सफ्ट-प्याक ब्याट्रीको सुरक्षा सुधारलाई श्रेय दिन सकिन्छ: पहिलो, अकार्बनिक LiF मा धनी CEI तहको इन-सिटु गठन लाभदायक छ। प्रफुल्लित NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोडको अन्तर्निहित थर्मल स्थिरताले चरण संक्रमणको कारणले जाली अक्सिजनको रिलीजलाई कम गर्छ; दोस्रो, ठोस अकार्बनिक CEI सुरक्षात्मक तहले उच्च प्रतिक्रियाशील डेलिथिएशन NMC811 लाई इलेक्ट्रोलाइटसँग सम्पर्क गर्नबाट रोक्छ, एक्जोथर्मिक साइड प्रतिक्रियालाई कम गर्छ; तेस्रो, perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट उच्च तापमान मा उच्च थर्मल स्थिरता छ।

निष्कर्ष र आउटलुक

यो कार्यले एक व्यावहारिक Gr/NMC811 पाउच-प्रकारको पूर्ण ब्याट्रीको विकासको रिपोर्ट गर्‍यो जसले पर्फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरी यसको सुरक्षा कार्यसम्पादनमा उल्लेखनीय सुधार गर्यो। आन्तरिक थर्मल स्थिरता। TR अवरोध संयन्त्र र सामग्री र ब्याट्री स्तरहरू बीचको सम्बन्धको गहन अध्ययन। बुढ्यौली प्रक्रियाले सम्पूर्ण आँधीबेहरीको समयमा पर्फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट ब्याट्रीको TR ट्रिगर तापमान (T2) लाई असर गर्दैन, जसमा परम्परागत इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरेर बुढ्यौली ब्याट्रीमा स्पष्ट फाइदाहरू छन्। थप रूपमा, एक्सोथर्मिक शिखर TR नतिजाहरूसँग अनुरूप छ, यसले संकेत गर्दछ कि बलियो CEI लिथियम-मुक्त सकारात्मक इलेक्ट्रोड र अन्य ब्याट्री घटकहरूको थर्मल स्थिरताको लागि अनुकूल छ। यी नतिजाहरूले देखाउँछन् कि स्थिर CEI तहको इन-सीटु नियन्त्रण डिजाइन सुरक्षित उच्च-ऊर्जा लिथियम ब्याट्रीहरूको व्यावहारिक अनुप्रयोगको लागि महत्त्वपूर्ण मार्गदर्शक महत्त्व छ।

साहित्य जानकारी

इन-बिल्ट अल्ट्राकन्फर्मल इन्टरफेसहरूले उच्च-सुरक्षा व्यावहारिक लिथियम ब्याट्रीहरू, ऊर्जा भण्डारण सामग्री, २०२१ सक्षम पार्छन्।