服务粉丝

我们一直在努力
当前位置:首页 > 财经 >

华中科技大学胡先罗团队AEM:多功能电解质添加剂实现宽温度范围高性能锂离子电池

日期: 来源:高低温特种电池收集编辑:YJC

研究背景

锂离子电池(LIBs)是全球各种应用的主流电源,例如电动汽车和便携式电子设备。当这些设备在地球不同地区运行时,巨大的温度和气候差异给LIBs带来了重大挑战。然而,当前LIBs在低温/高温环境下通常会出现严重的性能衰减和安全问题。一方面,在低温(LT)下,LIBs内部的离子和电子转移动力学急剧下降,包括Li+在电解质和活性材料中缓慢扩散,以及穿过电极/电解质界面的迁移能力较差。另一方面,在高温(HT)下容易发生副反应,特别是在电解质分解和电极与电解质之间的界面反应的情况下。当LIBs在宽温度(WT)范围内运行时,需要同时解决高温和低温的问题。值得注意的是,LIBs内部的界面稳定性起着决定性作用。人们普遍认为,界面性能对锂离子输运动力学起着重要的控制作用,并引发锂离子电池的热失控。因此,设计和构建具有高Li+电导率和热稳定性的理想电极/电解质界面对于在苛刻条件下实现稳定的LIBs至关重要。

为了改善界面动力学和稳定性,已经对电极表面进行了大量的改性。例如,在活性材料表面上建立表面涂层;在正极和负极表面的同时构建图层有助于提高界面性能。然而,在正极和负极上构建涂层通常是复杂并且耗能的。由于LIBs中的电解质同时接触正极和负极,特定功能的电解质将有利于形成电极表面上所需的界面。人们普遍认为,富含无机物的界面有利于锂离子的迁移和界面稳定性。通过使用含氟添加剂和氟化电解质,可以生成薄而均匀的富含LiF的界面,促进界面Li+动力学并提高机械强度。这些行为也通过引入含N和S的添加剂,如LiNO3或双三氟甲磺酰胺锂(LiTFSI)形成富Li3N结构来证明。尽管取得了这些进展,但同时在正极上获得良好的正极电解质界面(CEI)和负极上获得特定功能的固体电解质界面(SEI)仍然具有挑战性。除此之外,Li+扩散动力学显著依赖于由Li+溶剂化结构主导的Li+(去)溶剂化过程,特别是在LT条件下。因此,为调节协同溶剂化结构和构建具有丰富多相无机物种的CEI和SEI,合理设计特定功能的电解质对于在WT条件下工作的高性能LIBs至关重要。

内容简介

提高锂离子电池(LIBs)对全球极端温度和气候的耐受性对其全球应用至关重要。然而,当在宽温度范围内操作时,LIBs对关键部件有更严格的要求,特别是同时需要的界面动力学和热稳定性。本文报道了一种新型多功能电解质添加剂,2-噻吩叔丁基磺酰胺(NTSA),用于在宽温度条件下制备稳定的LIBs。电解质中的Li+溶剂化结构受到调节,并且涉及较少的配位溶剂(特别是碳酸氟乙烯酯),导致优异的Li+传输。有效的NTSA添加剂优先分解,形成了具有丰富的多相无机Li-F、 Li3N和Li-S的均匀电极/电解质界面,并同时存在于正极和负极表面。所得的富无机界面不仅可以在低温下促进界面Li+转移动力学,而且可以保护活性材料并增强界面和LIBs在高温下的热稳定性。通过采用含NTSA的电解质,LiCoO2 | |ω-Li3V2O5锂离子电池可以在-30°C至80°C之间的宽温度范围内稳定循环,在-20°C下提供≈100.1 mAh g-1(0.2 A g-1)的高容量,在55°C下200次循环(0.5 A g-1)后保持94.5%的高容量。

相关成果以“A Multifunctional Electrolyte Additive With Solvation Structure Regulation and Electrode/Electrolyte Interface Manipulation Enabling High-Performance Li-Ion Batteries in Wide Temperature Range”为题发表在国际著名期刊Advanced Energy Materials上,文章的第一作者是Xiwei Lan, Shanshan Yang,通讯作者是华中科技大学胡先罗教授。

文章亮点

1. 报道了一种新型多功能电解质添加剂2-噻吩叔丁基磺酰胺(NTSA),可以在常规碳酸盐电解质中用于构建宽温度范围内的稳定的锂离子电池。

2. 研究了NTSA添加剂对LiCoO2 | |ω-Li3V2O5(LCO||Ω-LVO)锂离子电池电解质特性和电化学性能的影响。

3. 在电极表面构建了均匀的具有丰富的无机LiF、Li3N和Li-S化合物的CEI和SEI,实现了对Li+溶剂化结构的调节。这有助于提高锂离子电池电导率和热稳定性,有效提高了锂离子电池在宽温度范围条件下的实用性。

主要内容

基础电解质由1.0 mol L-1 LiPF6组成,其溶于碳酸氟乙烯酯(FEC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合溶剂中,体积比为2:4:4,称为FED电解质。FEC已成功用作成膜添加剂,以获得富含LiF的SEI并改善LIBs的LT性能。NTSA是白色固态粉末,向上述FED电解质中添加了不同量的NTSA,含有0.5%重量、1.0%重量和2.0%重量的电解质分别表示为FEDN0.5、FEDN1和FEDN2。NTSA可以完全溶解在碳酸盐电解质中,形成清澈透明的溶液。此外,在加入固体NTSA粉末后,碳酸盐基电解质对聚丙烯隔板、LCO和ω-LVO电极保持可润湿性。

图1 NTSA添加剂和电解质的(电)化学性能。a)NTSA的分子结构。b)电解质组分的HOMO和LUMO能级。c)电解质的LSV在1 mV s-1的扫描速率下产生2.0–6.0 V的电位范围,以确定30°C下的氧化稳定性。d)电解质的CV结果,以确定30°C时的还原稳定性(电位范围:0.01–2.0 V;扫描速率:1.0 mV s−1)。e)-40°C和80°C之间电解质的温度与离子电导率的关系。

NTSA具有噻吩和磺胺官能团,含有N和S元素,被认为是分解的,有利于界面形成丰富的无机Li3N和Li-S物种。计算福井函数(Fukui Function)以研究NTSA结构中原子的反应活性,可以看出噻吩结构中的S原子具有最高值,表明反应形成S基物质的可能性很高。前沿分子轨道能级可用于评估材料的氧化还原稳定性。通过密度泛函理论(DFT)方法计算电解质中组分的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道能级(LUMO)。如图1b所示,NTSA在所有组分中具有最高的HOMO(-6.63 eV)和最低的LUMO(-1.81 eV)能级,表明与其他溶剂分子相比,它将优先被氧化还原以参与CEI和SEI的形成。随后,使用含有NTSA的电解质组装不锈钢板||Li不对称电池,以鉴定电解质的电化学稳定性和氧化还原行为。线性扫描伏安法(LSV)曲线(图1c)表明,所有电解质在30°C时都能提供高达4.5 V的理想负极稳定性。FED电解质中不存在由NTSA含电解质产生的2.9和4.1 V的两个负极峰。前一峰值归因于较高的HOMO能量导致的NTSA的氧化,后者可能是由于NTSA分子与电解质中其他组分之间的相互作用引起的,因为电流密度随着NTSA含量的增加而明显增加。同时,峰值转移到较低的电位,可能是由于更剧烈的相互作用,这意味着需要优化的NTSA量。如图1d所示,在循环伏安法(CV)的初始正极过程中,含有NTSA的电解质在1.4V处出现了一个新的峰值,表明NTSA在其他溶剂之前减少。当温度提高到55°C时,NTSA分解的负极和正极峰值转移到更低或更高的电位,这是由于高温下的高活性。这些LSV和CV结果证实了NTSA添加剂可以优先氧化和还原,这有助于同时调节CEI和SEI的形成。

进一步研究了电解质的锂离子传输性能,包括离子电导率和锂离子迁移数,图1e显示了−40°C和80°C之间电解质的离子电导率。显然,含有NTSA的电解质显示出比FED电解质更高的离子电导率。随着NTSA含量的增加,FEDN2电解质在-20°C时的最高离子电导率为0.24 mS cm-1,在80°C时为1.18 mS cm-1,这远远优于FED电解质(分别在-20℃时为0.14 mS cm-1,80°C下为0.40 mS cm-1)。此外,Li+迁移数从FED电解质的0.30增加到FEDN1电解质的0.39。然而,FEDN2电解质显示出比FEDN1电解质略低的0.37的Li+转移数,表明最佳NTSA含量应为1.0wt%。预计受益于NTSA添加剂的离子电导率和Li+迁移数的显著增加将促进电解质中的Li+扩散,特别是在LT条件下。

图2 电解质中的Li+溶剂化结构。a)FED和b)FEDN1电解质的MD模拟快照。c)Li+−O溶剂、d)Li+–PPF6、e)Li+-OEMC/DMC和f)Li+−OFEC的RDF和CN。g)纯溶剂和含NTSA电解质的放大拉曼光谱。h)不同量NTSA的电解质的拉曼光谱中FEC峰的拟合。i)FED和j)FEDN1电解质的溶剂化结构示意图。

Li+界面转移过程涉及Li+(脱)溶剂化行为和界面上的扩散,这分别由电解质中的溶剂化结构和界面组成决定。基于设计的电解质结构的周期性边界条件,进行了分子动力学(MD)模拟,以获得Li+和溶剂的特定原子的径向分布函数(RDF)(图2a,b)。如图2c所示,在引入NTSA添加剂后,所有溶剂的Li+和O原子的RDF分布中的第一个峰的强度大大降低,而计算的配位数(CN)略有降低。进一步计算了碳酸盐溶剂中Li+和不同原子的RDF,以区分主要受NTSA影响的组分。可以看出,FED和FEDN1电解质中Li+–PPF6(图2d)和Li+-OEMC/DMC(图2e)的CN相似,表明它们的配位环境相似。相比之下,基于2.0Å处峰值的Li+−OFEC的CN从FED电解质的1.53降至FEDN1电解质的1.32(图2f),表明第一溶剂化壳中的配位FEC溶剂大大减少。此外,NTSA添加剂中Li+和N原子的CN表明,NTSA和Li+之间的配位几乎可以忽略不计。Li+和溶剂之间的上述不同配位状态表明,NTSA添加剂在电解质中起着重要作用。

为了深入了解电解质中的配位环境,进一步研究了纯溶剂和FEDN电解质的拉曼光谱。如图2g所示,在700至1000 cm−1的拉曼位移范围内观察到各种拉伸振动的不同特征峰。在731.5、868.2和908.5 cm−1处检测到纯FEC溶剂的振动峰值。876.0和937.3 cm−1处的峰属于纯EMC,917.9 cm−1的峰属于纯粹DMC组分。将LiPF6溶解到混合溶剂中后,在743.3 cm−1处出现一个新的峰,这是PF6阴离子振动峰的特征。这些峰被分配给电解质中的游离组分。此外,观察到接近游离溶剂特征峰的新的峰,这归因于具有与游离溶剂相似结构的配位溶剂。考虑到NTSA主要调节FEC溶剂的配位状态,扩大了720-760 cm−1范围内电解质的拉曼光谱,以实验验证FEC溶剂配位环境(图2h)。通过拟合自由FEC(731.5 cm−1)、配位FEC(737.8 cm−1)和自由PF6(743.3 cm−1)的三个特征峰,可以根据方程(1)计算含Li+的FEC的CN:

其中AF-S和AC-S表示游离和配位溶剂峰的拟合面积;CLi+和CS是电解质中Li离子和溶剂的浓度;N是指电解质中配位溶剂的数量。对于FED和FEDN1电解质,FEC分子的计算CNs分别为1.48和1.16,尽管NTSA添加剂的量不同,EMC和DMC的面积比仍然相似,这与上述理论计算结果非常吻合。因此,NTSA可以调节Li+溶剂化结构,特别是通过调节FEC溶剂的CN,从而导致更低的CN、更高的离子电导率和更高的Li+转移数。

图3 LCO正极的电化学性能和界面性能。a)具有FED和FEDN1电解质的LCO||Li半电池在-30°C和80°C之间的充放电容量,在b)-20°C(0.2 A g−1)和C)80°C(0.5 A g−1)下的循环性能。在30°C下,d)FED和e)FEDN1电解质中循环的LCO电极的SEM图像。30°C时f)FED和g)FEDN1电解质中循环LCO的TEM图像。在30°C的FED和FEDN1电解质中循环后LCO电极的XPS结果:h)C 1s,i)F 1s,j)N 1s,和k)S 2p。l)在FED和FEDN1电解质中循环时LCO电极的XRD图像、(003)和(104)衍射峰的全图案和放大区域。m)LCO||Li半电池在30°C下3.0-4.5 V高压范围内的循环性能。n) 通过NTSA添加剂对LCO正极进行界面操作的示意图。

为了探索源自NTSA添加剂的正极表面的界面情况,在WT条件下使用FED和FEDN1电解质组装LCO ||Li半电池并充放电。与30°C时使用FED电解质的电池相比,使用NTSA电解质的LCO电池表现出更好的倍率性能、更稳定的循环性能和更低的极化。其中,具有FEDN1电解质的电池具有最佳性能。NTSA添加剂有助于减少极化,显示出改善的界面动力学。LCO||Li半电池在-30°C至80°C的温度范围内以0.2 A g−1的恒定电流密度循环。与FED电解质相比,具有FEDN1电解质的LCO电池表现出更高的容量(图3a)。采用FEDN1电解质的电池在−30°C下的放电比容量为104.3 mAh g−1,远优于采用FED电解质的电池(72.8 mAh g–1)。尽管两种电池的容量都在高于70°C的高温下衰减,但FEDN1电解质的电池比FED电解质的电池具有更好的循环稳定性。在−20℃(图3b)、55℃和80℃(图3c)下进一步连续循环,在低温下表现出更高的容量,在高温下表现出更高的容量保持。

众所周知,界面性质在电化学性能中起着至关重要的作用。循环LCO通过在30°C下循环时分解LCO||Li半电池获得,随后通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行研究。与原始LCO颗粒的光滑表面相比,发现在FED电解质中循环的LCO颗粒呈现出粗糙且不平坦的表面(图3d)。值得注意的是,在FEDN1电解质中循环的正极颗粒显示出更光滑的表面(图3e)。如图3f所示,在FED电解质中循环的电极的颗粒表面是贫瘠的,并且没有形成界面膜。完全不同的是,在FEDN1电解质中循环的颗粒表面上存在平均厚度≈8nm的致密且均匀的CEI膜。

用X射线光电子能谱(XPS)进一步探讨了正极在不同电解质中的表面化学和价态。图3h显示了C1s的特征XPS曲线,其中289.8、288.2、286.4和284.8 eV处的峰分别归因于ROCO2Li,C=O、 C-O、 和C-C。在FED和FEDN1电解质中循环的电极的C1s XPS光谱几乎相同。然而,对于在不同电解质中循环的LCO,分别归属于LixPFy(686.8 eV)和LiF(684.1 eV)的XPS F 1s光谱中的峰非常不同(图3i)。LixPFy作为电解质分解的产物对性能没有帮助,而LiF被认为是CEI/SEI中的有利无机组分,有助于促进锂离子界面传输。在引入NTSA添加剂后,FEDN1电解质在LCO表面上形成了理想的富LiF的CEI膜,这应归因于NTSA添加剂调节的FEC溶剂。此外,N 1s(图3j)和S 2p(图3k)的XPS光谱表明,在FED电解液中循环的正极表面上,除了N以外,不生成含N或S的化合物N-O/N-S峰峰(399.2eV)可能来自样品暴露于空气。相反,对于在FEDN1电解质中循环的LCO,出现了Li3N(397.1eV)、Li2SO4(168.5eV),Li2SO3(165.8eV)和Li2S(162.0eV)的典型特征峰。对于FEDN1电解质,在初始负极扫描过程中出现3.82V(vs.Li/Li+)的新负极峰,这意味着NTSA添加剂优先氧化并分解为多相无机富(LiF、Li3N、Li-S)LCO表面上的CEI层。

进一步探讨了得益于LCO表面上形成的CEI的LT和HT性能增强的原因。FED和FEDN1电解质中形成的界面分别表现出23.9和20.2 kJ mol−1的离子跃迁能垒。NTSA促进界面中离子跃迁的较低能量势垒提供了有利的界面Li+动力学,有利于增强LT下的速率能力和容量。图3l显示了高温下在不同电解质中循环时LCO的X射线衍射(XRD)图和SEM图像。观察到,在55°C和80°C的FED电解质中循环的LCO的衍射峰向更高的角度移动,表明结构发生了显著变化。在80°C的FED电解质中循环的LCO电极的峰值急剧减弱,表明LCO颗粒的严重结构损坏。相反,如XRD图(图3l)和SEM图所示,在55°C或80°C的FEDN1电解质中循环的LCO显示出稳定的本体结构和较少的表面副产物。所形成的致密CEI可保护LCO正极免受电解质分解或界面副反应的严重攻击,抑制活性材料的结构损伤,并在高温条件下提高循环稳定性。为了进一步验证所形成的CEI的保护作用,研究了在3.0–4.5 V高压范围内循环的LCO锂电池。如图3m所示,具有FEDN1电解质的LCO电池的循环稳定性远优于具有FED电解质的LCO,这得益于结构稳定性的提高。为了进行比较,如图3n所示,在FED电解质中循环的LCO正极显示出许多副产物,表面上没有任何CEI;因此在WT范围内遭受较差的Li+转移动力学和结构损伤。通过将NTSA添加剂引入FED电解质中,在LCO表面可获得具有丰富无机LiF、Li3N和Li-S物种的CEI界面膜。所形成的CEI层提供了优异的界面Li+动力学和结构稳定性,使LCO||Li半电池能够在WT条件下稳定运行。

图4 ω-LVO和Li负极的电化学性能和界面性能。a)具有FED和FEDN1电解质的ω-LVO|Li半电池在-30°C至80°C温度范围内的充放电容量,在b)-20°C(0.2 A g-1)和c)80°C(0.5 A g−1)下的循环性能。ω-LVO电极在30°C下在d)FED和e)FEDN1电解质中循环的SEM图像。30°C时f)FED和g)FEDN1电解质中循环ω-LVO颗粒的TEM图像。ω-LVO电极在30°C下在FED和FEDN1电解质中循环时的XPS结果:h)C 1s,i)F 1s,j)N 1s,和k)S 2p。在80°C下,使用l)FED和m)FEDN1电解质的循环LCO||Li半电池中Li板的SEM图像和数字照片。n)在30°C下,电流密度为1 mA cm-2、容量为1 mAh cm-2的Li||Li电池的电化学性能(插图:放大区域的电压分布)。o)通过NTSA添加剂对负极进行界面操作的示意图。

为了评估SEI在负极表面的情况,获得了在FED和FEDN1电解质中循环的ω-LVO和Li金属负极,并对其进行了系统的表征。不同电解质的ω-LVO||Li半电池的电化学性能差异与LCO ||Li电池表现出相同的趋势。带有FEDN1电解质的ω-LVO||Li半电池具有最佳的速率能力、循环稳定性和最低的电压极化。当在WT范围内循环时,具有FEDN1电解质的ω-LVO电池在LT时表现出更高的容量,在HT时表现出更好的容量保持(图4a,b)。应注意,具有FEDN1电解质的ω-LVO||Li半电池在80°C下的200次循环中表现出优异的可循环性(图4c),表明ω-LVO负极在高温下具有优异的结构稳定性。

如SEM图像所示(图4d,e),在FEDN1电解质中循环的ω-LVO具有比FED电解质中更光滑的界面。原始ω-LVO的板状形态可以很好地保持。与在没有CEI的FED电解液中循环的LCO不同,在FED电解液循环的ω-LVO负极表面上产生了不均匀的SEI(图4f)。当ω-LVO负极在FEDN1电解质中循环时,表面上形成了平均厚度约为7nm的致密且均匀的SEI层(图4g)。C1s(图4h)、F1s(图4i)、N1s(图3j)和S2p(图4k)的XPS光谱表明,富含LiF、Li3N和Li-S的无机SEI层构建了ω-LVO负极表面。值得注意的是,在FED电解质中循环的ω-LVO负极的F1s曲线中出现了一个强LiF峰(图4i),其来源于FEC的常用SEI形成电解质添加剂。因此,引入的NTSA添加剂优先还原和分解,以将FED电解质中富含LiF的不均匀SEI膜调节为具有丰富LiF、Li3N和Li-S无机物的均匀SEI层。计算出的形成的SEI层的离子过渡能势垒证实了多相富SEI具有比富LiF SEI层(16.1 kJ mol-1)低得多的能量(21.3 kJ mol-1),有利于界面Li+传输动力学。

除了对ω-LVO负极的SEI改性外,还详细探讨了在80°C的LCO中循环的Li金属负极的形态。原始Li板呈现出具有平坦表面形态的金属光泽。然而,在FED电解液中循环后,Li板的外观颜色变为深黑色,SEM图像(图4l)显示,在Li金属表面上生成了大量的块状副产物和Li枝晶。相反,在FEDN1电解液中循环的Li板具有良好的金属光泽和光滑的表面形态(图4m)。这些结果进一步表明了在源自NTSA添加剂的Li金属负极上形成的SEI层的保护功能。如图4n所示,具有FEDN1电解质的Li||Li对称电池在电流密度为1 mA cm−2,容量为1 mAh cm−2下循环。同时,可以忽略的电压极化证实了优越的界面Li+传输动力学。

图4o说明了NTSA添加剂对负极材料的SEI改性。使用含有控制FEC的FED电解质形成不均匀的富LiF的SEI。较差的界面动力学导致锂金属负极上不期望的容量和界面不稳定性,甚至导致严重的锂枝晶生长。相反,NTSA添加剂赋予负极表面均匀的富含LiF、Li3N和Li-S无机物种,在WT范围内显著提高界面动力学和结构稳定性。

图5 LCO | |ω-LVO全电池的电化学性能。a)电流密度为0.2–3.0 A g−1时的速率能力,b)循环性能,以及c)30°C时0.5 A g−1的恒电流充放电(GCD)曲线,其中电解质含有不同的NTSA量。d)在−30°C和80°C之间的温度范围内,0.2 A g−1的充放电容量,在e)−20°C(0.2 A g-1)和f)55°C(0.5 A g−1)的全电池(含FED和NTSA电解质)下的循环性能。

基于NTSA添加剂在溶剂化结构调节和对CEI和SEI层同时改性的多功能,已经制备了具有FED和FEDN1电解质的LCO | |ω-LVO全电池,以探讨NTSA添加剂对实际LIBs应用的影响。通过采用ω-LVO负极,锂金属电池中避免了严重的锂枝晶,并提高了ω-LVO电极的稳定性,从而提高了LIBs的安全性。图5显示了LCO | |ω-LVO全电池在不同温度下的电化学性能。速率能力与室温下LCO||Li半电池的速率能力相似(图5a),采用FEDN1电解质的电池在3 A g−1时的最高放电容量为101.8 mAh g−1,远高于采用FED电解质的电池(80.9 mAh g–1)。与30°C时FED电解质相比,含有NTSA电解质的全电池还显示出稳定的循环能力(图5b)和较低的电压极化。当在−30°C和80°C之间的温度范围内循环时,具有FEDN1电解质的电池在LT时也表现出更高的容量,在HT时表现出更好的容量保持(图5d)。采用FEDN1电解质的电池在0.2 A g−1,−20°C的条件下,在100次循环中达到了100.1 mAh g−1的比容量,几乎100%的初始容量(图5e)。此外,具有FEDN1电解质的全电池在55℃(图5f)和80℃下表现出优异的循环性能。因此,证明了这种多功能NTSA添加剂有助于提高具有FEDN1电解质的LCO | |ω-LVO全电池的电化学性能。

图6 LCO | |ω-LVO电池的实用性。a)温度(T)对时间(T)和b)自加热速率(SHR)对FED电解质全电池的T曲线。c)T对T和d)具有FEDN1电解质的全电池的SHR对T曲线。NTSA添加剂的多功能示意图:使用e)FED和f)FEDN1电解质的LIBs的溶剂化结构和界面特征。

组装袋式全电池,以探索热失控行为和作为动力装置的操作的实用性。图6a–d显示了加速率热量计(ARC)结果,以证明整个电池的热失控行为。如使用FED电解质的电池的温度与时间曲线所示(图6a),在≈95.3°C时有一个小突起,在≈175.4°C时开始有一个尖锐的峰值。这归因于CEI/SEI层中不稳定成分的分解和热失控过程的起源。加热过程中的自加热速率也显示出与≈95.5°C和≈175.4°C时的增加值相同的现象(图6b)。如FEDN1电解质的全电池剖面图所示(图6c,d),界面分解的起始温度在≈125.4°C时变得更高,代表更稳定的界面。因此,ARC结果表明,所形成的富含无机物的CEI/SEI具有优异的热稳定性和较少的不稳定成分,能够有效地抑制热失控行为。袋式LCO | |ω-LVO电池进一步被用作电风扇和LED板的电源。全电池驱动电风扇旋转,LED板在30°C、-20°C和55°C下正常点亮。因此,在WT范围内工作的LCO||ω-LVO全电池的NTSA电解质的多功能如图6e,f所示。对于具有FED电解质的LIBs,正极表面上没有形成CEI,负极表面上没有不均匀的SEI,这导致LCO正极的严重结构损坏、界面(CEI/SEI)动力学迟缓和稳定性。通过引入NTSA添加剂,它显示出与FEC溶剂的有利相互作用,以调节电解质中的Li+溶剂化结构,增强Li+传输动力学,由此NTSA添加剂被优先分解,以构建具有丰富LiF、Li3N和Li-S无机物种的致密且均匀的CEI和SEI。所形成的CEI/SEI表现出优异的界面动力学和热稳定性,使得LCO | |ω-LVO LIBs能够在WT范围内稳定运行。

结论

总之,成功开发了一种不同寻常的多功能电解质添加剂NTSA,使先进的LIBs在WT范围内稳定运行。NTSA添加剂不仅调节Li+溶剂化结构(特别是Li+和FEC溶剂的配位),还构建了具有丰富LiF、Li3N和Li-S无机物种的致密且均匀的CEI和SEI的形成。电解质和界面中的Li+传输动力学得到了高度增强,界面和本体结构稳定性得到了显著改善,这得益于保护性CEI/SEI。低温下优越的Li+动力学和高温下的高热稳定性在单个电池中实现。使用含NTSA电解质的LCO | |ω-LVO全LIBs在-20°C时达到100.1 mAh g-1(0.2 A g-1)的显著容量,在55°C时保持94.5%(0.5 A g-1)的高容量。这项工作提供了开发独特的电解质添加剂的实用策略,该添加剂具有有趣的多功能,以在WT范围内实现高稳定、高性能LIBs。

参考文献

A Multifunctional Electrolyte Additive With Solvation Structure Regulation and Electrode/Electrolyte Interface Manipulation Enabling High-Performance Li-Ion Batteries in Wide Temperature Range.Xiwei Lan, Shanshan Yang, Tao Meng, Chaosheng Zhang, and Xianluo Hu*.Advanced Energy Materials.2023.

原文链接:

https://doi.org/10.1002/aenm.202203449

权益声明

      “高低温特种电池”致力于报道高低温电池领域的相关文献,推动特种电池发展,如有报道错误或侵权,请私信联系,我方会立即修正或删除。

      感谢各位专家学者的支持与宣传,同时欢迎广大科研人员投稿与合作,具体事宜可发送邮件至specialbatteries@163.com,或添加下方小编微信,我们将在第一时间为您服务。

      “高低温特种电池”原创文章,欢迎个人转发和分享。刊物或其他媒体如需转载,请联系邮箱:specialbatteries@163.com.



聚焦极端领域前沿

共探特种电池未来


点赞加关注,科研不迷路


相关阅读

  • 我,钙钛矿公司,打钱

  • 本故事纯属虚构,如有雷同纯属巧合作者 I singsing2020来源 I 数星星的星哥(ID:gh_e6a9d8423302)我在一个新能源项目的路演上看到了一个熟悉的身影---老钱。我熟悉的老钱曾经是一
  • 熵驱动的锂电池液体电解液

  • 通过增加构型熵来合成新材料是材料科学中的一个新兴概念。高熵(HE)合金通常由五种或五种以上的主元素组成,有利于形成具有简单结构的固溶相。这已经扩展到熵稳定的功能性氧化
  • 武汉市市场监督管理局发布电动自行车消费提示

  • 近年来,电动自行车因其便捷、经济、节能等特点,成为许多市民短途出行的优先选择。在此,武汉市市场监督管理局提示广大消费者选购时注意以下几点:一、细致选购经销商购买电动车时
  • 中国2月动力电池装车量数据出炉

  • 【环球网科技综合报道】3月13日消息,中国汽车动力电池产业创新联盟本周发布了2023年2月动力电池月度数据。数据显示,在产能方面,2023年2月,我国动力电池产量共计41.5GWh,同比增长
  • 四巨头联手!80亿元新能源电池材料项目签约

  • 3月9日,由青山实业旗下永青股份与格林美、伟明环保、新宙邦等新能源企业携手打造的温州新能源电池材料产业园正式签约。温州新能源电池材料产业园项目签约现场温州新能源电池
  • 钠电池三大技术路线“并行”

  • x 会议倒计时11天2023复合集流体产业峰会——跨越从0到1 开启变革时代 主办单位:高工锂电、高工产业研究院(GGII) 总冠名:诺德股份 峰会地点:深圳机场凯悦酒店 峰会时间:2023

热门文章

  • “复活”半年后 京东拍拍二手杀入公益事业

  • 京东拍拍二手“复活”半年后,杀入公益事业,试图让企业捐的赠品、家庭闲置品变成实实在在的“爱心”。 把“闲置品”变爱心 6月12日,“益心一益·守护梦想每一步”2018年四

最新文章

  • 三天崩盘,硅谷银行雷暴事件始末 | 钛媒体焦点

  • 图片来源:视觉中国▎作为硅谷创投圈的宠儿,硅谷银行在几天内就深陷流动性危机,继而快速崩盘。这家银行是自2008年金融危机以来倒闭的最大银行,也是美国历史上第二大倒闭的银行。
  • 逃离字节回县城开店,没人看好,我月入10万

  • 图片来源:视觉中国▎年轻人回县城开店,有人月入十万,有人不足三千。钛媒体作者丨财经故事荟冕宁县,隶属于四川凉山彝族自治州,贫穷是大凉山挥之难去的标签,州内17个县中,有11个曾是
  • 来曲江,踏青赏花沐春光吧!

  • 草木蔓发,春山可望一些关于春日的小美好正在曲江井然有序地发生着春季是踏青的好时节不仅春光趁早,见面也要趁早来曲江各景区,与春天相见吧!大唐芙蓉园春日融融,柳丝轻扬,光溢满香