ኢ.ኤስ.ኤም፡ አብሮ የተሰራ እጅግ በጣም ተስማሚ የፔሮላይት ኤሌክትሮላይት ለተግባራዊ ከፍተኛ ኃይል ሊቲየም ባትሪዎች

ምርምር ዳራ

በሊቲየም-አዮን ባትሪዎች፣ 350 Wh Kg-1 ግብን ለማሳካት፣ የካቶድ ቁሳቁስ ኒኬል የበለፀገ ንብርብር ኦክሳይድ (LiNixMnyCozO2፣ x+y+z=1፣ NMCxyz ተብሎ የሚጠራ) ይጠቀማል። የኢነርጂ እፍጋቱ እየጨመረ በመምጣቱ ከ LIBs የሙቀት መሸሽ ጋር የተያያዙ አደጋዎች የሰዎችን ትኩረት ስቧል። ከቁሳዊ እይታ አንጻር በኒኬል የበለጸጉ አዎንታዊ ኤሌክትሮዶች ከባድ የደህንነት ጉዳዮች አሏቸው. በተጨማሪም፣ እንደ ኦርጋኒክ ፈሳሾች እና ኔጌቲቭ ኤሌክትሮዶች ያሉ ሌሎች የባትሪ ክፍሎች ኦክሲዴሽን/ክሮስታልክ የሙቀት መሸሽ ሂደትን ሊያስከትሉ ይችላሉ፣ ይህም ለደህንነት ችግሮች ዋነኛ መንስኤ ነው ተብሎ ይታሰባል። በቦታ ውስጥ የሚቆጣጠረው የተረጋጋ የኤሌክትሮል-ኤሌክትሮላይት በይነገጽ መፈጠር ለቀጣዩ ትውልድ ከፍተኛ-ኃይል-ጥቅጥቅ ሊቲየም-ተኮር ባትሪዎች ቀዳሚ ስትራቴጂ ነው። በተለይም ጠንካራ እና ጥቅጥቅ ያለ የካቶድ-ኤሌክትሮላይት ኢንተርፋዝ (CEI) ከፍተኛ የሙቀት መረጋጋት ኦርጋኒክ አካላት ያለው የኦክስጂንን መለቀቅ በመከልከል የደህንነት ችግሩን ሊፈታ ይችላል። እስካሁን ድረስ በ CEI ካቶድ የተሻሻሉ ቁሳቁሶች እና በባትሪ ደረጃ ደህንነት ላይ የምርምር እጥረት አለ.

የስኬት ማሳያ

በቅርቡ፣ ፌንግ ሹኒንግ፣ ዋንግ ሊ እና የ Tsinghua ዩኒቨርሲቲ ኦውያንግ ሚንጋኦ በሃይል ማከማቻ ቁሶች ላይ "In-built Ultraconformal Interphases Enable High- Safety Practical Lithium Battery" በሚል ርዕስ ጥናታዊ ጽሁፍ አሳትመዋል። ደራሲው የተግባር NMC811/Gr ለስላሳ የታሸገ ሙሉ ባትሪ እና ተዛማጅ የ CEI አወንታዊ ኤሌክትሮዶችን የሙቀት መረጋጋት ደህንነትን ገምግሟል። በእቃው እና በሶፍት ጥቅል ባትሪ መካከል ያለው የሙቀት አማቂ መጨናነቅ ዘዴ በሰፊው ተጠንቷል። የማይቀጣጠል ባለ perfluorinated ኤሌክትሮላይት በመጠቀም NMC811/Gr ከረጢት አይነት ሙሉ ባትሪ ተዘጋጅቷል። የNMC811 የሙቀት መረጋጋት በኦርጋኒክ ባልሆነ LiF የበለፀገ ውስጠ-የተቋቋመ CEI መከላከያ ንብርብር ተሻሽሏል። የ LiF CEI በደረጃ ለውጥ የሚመጣውን የኦክስጂን ልቀትን በብቃት ማቃለል እና በአስደሳች NMC811 እና በፍሎራይድ ኤሌክትሮላይት መካከል ያለውን የውጫዊ ምላሽ ሊገታ ይችላል።

ግራፊክ መመሪያ

ምስል 1 የተግባር NMC811/Gr ከረጢት አይነት ሙሉ ባትሪ የፔሮፍሎራይንድ ኤሌክትሮላይት እና የተለመደው ኤሌክትሮላይት በመጠቀም የሙቀት መሸሻ ባህሪያትን ማወዳደር። ከአንድ ዑደት በኋላ ባህላዊ (ሀ) ኢሲ/ኢኤምሲ እና (ለ) የተበከሉ FEC/FEMC/HFE ኤሌክትሮላይት ቦርሳ አይነት ሙሉ ባትሪዎች። (ሐ) የተለመደው EC/EMC ኤሌክትሮላይዜስ እና (መ) ባለቀለም ኤፍኢሲ/FEMC/HFE ኤሌክትሮላይት ቦርሳ-አይነት ሙሉ ባትሪ ከ100 ዑደቶች በኋላ ያረጀ።

ለ NMC811/Gr ባትሪ በባህላዊ ኤሌክትሮላይት ከአንድ ዑደት በኋላ (ስእል 1 ሀ)፣ T2 በ202.5°ሴ ነው። T2 የሚከሰተው ክፍት-የወረዳው ቮልቴጅ ሲቀንስ ነው. ነገር ግን የፔሮሮይድ ኤሌክትሮላይት በመጠቀም የባትሪው ቲ 2 ወደ 220.2 ዲግሪ ሴንቲ ግሬድ ይደርሳል (ምስል 1 ለ) ይህ የሚያሳየው የፔሮላይት ኤሌክትሮላይት በከፍተኛ የሙቀት መረጋጋት ምክንያት የባትሪውን ተፈጥሯዊ የሙቀት ደህንነት በተወሰነ ደረጃ ማሻሻል እንደሚችል ያሳያል። የባትሪው ዕድሜ ሲጨምር፣ የባህላዊው ኤሌክትሮላይት ባትሪ T2 እሴት ወደ 195.2 ° ሴ (ምስል 1 ሐ) ይቀንሳል። ይሁን እንጂ የእርጅና ሂደቱ በፔሮፋይድ ኤሌክትሮላይቶች (ምስል 2 ዲ) በመጠቀም የባትሪውን T1 አይጎዳውም. በተጨማሪም በ TR ጊዜ በባህላዊ ኤሌክትሮላይት የሚጠቀመው የባትሪው ከፍተኛው dT/dt ዋጋ እስከ 113°C s-1 ከፍ ያለ ሲሆን የተቀባውን ኤሌክትሮላይት የሚጠቀመው ባትሪ 32°C s-1 ብቻ ነው። የ T2 የእርጅና ባትሪዎች ልዩነት ለ NMC811 በተፈጥሮው የሙቀት መረጋጋት ምክንያት ሊሆን ይችላል, ይህም በተለመደው ኤሌክትሮላይቶች ውስጥ ይቀንሳል, ነገር ግን በ perfluorinated electrolytes ውስጥ በትክክል ሊቆይ ይችላል.

ምስል 2 የዴሊቴሽን የሙቀት መረጋጋት NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ እና NMC811/Gr የባትሪ ድብልቅ። (A,b) የC-NMC811 እና F-NMC811 ሲንክሮትሮን ከፍተኛ-ኢነርጂ XRD እና ተዛማጅ (003) የዲፍራክሽን ከፍተኛ ለውጦች የኮንቱር ካርታዎች። (ሐ) የ C-NMC811 እና F-NMC811 አወንታዊ ኤሌክትሮዶች የሙቀት እና የኦክስጂን መልቀቂያ ባህሪ። (መ) የተደሰተው ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ፣ ሊቲየይድ ኔጋቲቭ ኤሌክትሮድ እና ኤሌክትሮላይት የናሙና ድብልቅ የDSC ኩርባ።

ምስል 2a እና b የ HEXRD ኩርባዎችን የደስታ NMC81 በተለያዩ የ CEI ንብርብሮች በተለመደው ኤሌክትሮላይቶች ፊት እና ከክፍል ሙቀት እስከ 600 ° ሴ ባለው ጊዜ ውስጥ ያሳያሉ. ውጤቶቹ በግልጽ እንደሚያሳዩት ኤሌክትሮላይት በሚኖርበት ጊዜ ጠንካራ የ CEI ንብርብር ለሊቲየም የተከማቸ ካቶድ የሙቀት መረጋጋት ተስማሚ ነው. በስእል 2c ላይ እንደሚታየው አንድ ነጠላ F-NMC811 በ 233.8 ° ሴ ቀርፋፋ exothermic ጫፍ አሳይቷል, C-NMC811 exothermic ጫፍ ደግሞ 227.3 ° ሴ. በተጨማሪም ፣ በ C-NMC811 የደረጃ ሽግግር ምክንያት የሚፈጠረው የኦክስጅን መጠን እና መጠን ከF-NMC811 የበለጠ ከባድ ነው ፣ይህም ጠንካራ CEI የ F-NMC811 የሙቀት መረጋጋትን እንደሚያሻሽል የበለጠ ያረጋግጣል። ምስል 2d በተደሰቱ NMC811 እና ሌሎች ተዛማጅ የባትሪ ክፍሎች ላይ የDSC ሙከራን ያደርጋል። ለተለመዱት ኤሌክትሮላይቶች ከ 1 እና 100 ዑደቶች ጋር ያለው የናሙና ውጫዊ ውጫዊ ቁንጮዎች የባህላዊ በይነገጽ እርጅና የሙቀት መረጋጋትን እንደሚቀንስ ያመለክታሉ። በአንጻሩ፣ ለተቀባው ኤሌክትሮላይት ከ1 እና 100 ዑደቶች በኋላ ያሉት ሥዕላዊ መግለጫዎች ከ TR ቀስቅሴ የሙቀት መጠን (T2) ጋር በሚስማማ መልኩ ሰፊ እና መለስተኛ exothermic ጫፎችን ያሳያሉ። ውጤቶቹ (ምስል 1) ወጥነት ያላቸው ናቸው, ይህም ጠንካራ CEI የአረጋውያን እና የተደሰቱ NMC811 እና ሌሎች የባትሪ ክፍሎችን የሙቀት መረጋጋት በተሳካ ሁኔታ ማሻሻል እንደሚችል ያመለክታል.

ምስል 3 በተቀባው ኤሌክትሮላይት ውስጥ የተደሰተ NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮይድ ባህሪ። (ab) የF-NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ እና ተዛማጅ የ EDS ካርታ አቋራጭ ሴም ምስሎች። (ቸ) የንጥል ስርጭት። (ij) የF-NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ በምናባዊ xy ላይ ያለው አቋራጭ ሴም ምስል። (ኪሜ) የ 3D FIB-SEM መዋቅር እንደገና መገንባት እና የ F አባሎችን የቦታ ስርጭት.

ሊቆጣጠረው የሚችል የፍሎራይድ ሲኢአይ መፈጠሩን ለማረጋገጥ በእውኑ ለስላሳ-ጥቅል ባትሪ የተመለሰው የ NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ የመስቀል-ክፍል ሞርፎሎጂ እና ንጥረ ነገር ስርጭት በ FIB-SEM (ምስል 3 ah) ተለይቷል። በተቀባው ኤሌክትሮላይት ውስጥ በኤፍ-NMC811 ወለል ላይ አንድ ወጥ የሆነ የፍሎራይድ CEI ንብርብር ይፈጠራል። በተቃራኒው ፣ C-NMC811 በተለመደው ኤሌክትሮላይት ውስጥ የኤፍ እጥረት እና ያልተስተካከለ CEI ንብርብር ይፈጥራል። በ F-NMC811 መስቀለኛ መንገድ ላይ ያለው የኤፍ ኤለመንት ይዘት ከ C-NMC3 ከፍ ያለ ነው፣ ይህ ደግሞ የ inorganic fluorinated mesophase በቦታ መፈጠር የተደሰተ NMC811 መረጋጋትን ለመጠበቅ ቁልፍ መሆኑን ያረጋግጣል። . በ FIB-SEM እና EDS ካርታ እርዳታ በስእል 811m ላይ እንደሚታየው በ F-NMC3 ወለል ላይ በ 3 ዲ አምሳያ ውስጥ ብዙ F ክፍሎችን ተመልክቷል.

ምስል 4 ሀ) የንጥል ጥልቀት ስርጭት በዋናው ላይ እና በተደሰተ NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ። (ac) FIB-TOF-SIM በኤንኤምሲ811 አወንታዊ ኤሌክትሮድ ውስጥ የF፣ O እና Li አባሎችን ስርጭት እየረጨ ነው። (ዲኤፍ) የ NMC811 የ F፣ O እና Li አባሎች የገጽታ ሞርፎሎጂ እና ጥልቀት ስርጭት።

FIB-TOF-ሴም በ NMC811 አወንታዊ ኤሌክትሮዶች ላይ ያለውን የንጥረ ነገሮች ጥልቀት ስርጭት የበለጠ አሳይቷል (ምስል 4). ከመጀመሪያው እና ከ C-NMC811 ናሙናዎች ጋር ሲነጻጸር በ F-NMC811 የላይኛው ወለል ንብርብር ላይ የF ምልክት ከፍተኛ ጭማሪ ተገኝቷል (ምስል 4a). በተጨማሪም ደካማው ኦ እና ከፍተኛ የሊ ምልክቶች የ F- እና Li-rich CEI ንብርብሮች መፈጠርን ያመለክታሉ (ምስል 4b, c). እነዚህ ውጤቶች F-NMC811 በ LiF የበለፀገ CEI ንብርብር እንዳለው አረጋግጠዋል። ከC-NMC811 CEI ጋር ሲነጻጸር፣ የF-NMC811 CEI ንብርብር ተጨማሪ F እና Li አባሎችን ይዟል። በተጨማሪም, በ FIGS ላይ እንደሚታየው. 4d-f, ከ ion etching ጥልቀት አንፃር, የመጀመሪያው NMC811 መዋቅር ከተደሰተው NMC811 የበለጠ ጠንካራ ነው. የF-NMC811 እርጅና ጥልቀት ከC-NMC811 ያነሰ ነው፣ ይህ ማለት F-NMC811 በጣም ጥሩ መዋቅራዊ መረጋጋት አለው።

ምስል 5 CEI ኬሚካላዊ ቅንጅት በ NMC811 አወንታዊ ኤሌክትሮዶች ላይ. (ሀ) የNMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ CEI XPS ስፔክትረም (bc) XPS C1s እና F1s የዋናው እና የተደሰቱ NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ CEI። (መ) ክሪዮ-ማስተላለፊያ ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፕ፡ የF-NMC811 ኤለመንት ስርጭት። (ሠ) የቀዘቀዘ TEM የ CEI ምስል በF-NMC81 ላይ ተፈጠረ። (fg) STEM-HAADF እና STEM-ABF የC-NMC811 ምስሎች። (hi) STEM-HAADF እና STEM-ABF የF-NMC811 ምስሎች።

በNMC811 (ስእል 5) ውስጥ የCEI ኬሚካላዊ ስብጥርን ለመለየት XPS ተጠቅመዋል። ከመጀመሪያው C-NMC811 በተለየ የF-NMC811 CEI ትልቅ ኤፍ እና ሊ ግን ትንሽ ሲ (ምስል 5 ሀ) ይዟል። የ C ዝርያዎችን መቀነስ በ LiF-ሀብታም CEI F-NMC811 ከኤሌክትሮላይቶች ጋር ቀጣይ የጎንዮሽ ምላሾችን በመቀነስ ሊከላከል እንደሚችል ያሳያል (ምስል 5 ለ)። በተጨማሪም፣ አነስተኛ መጠን ያላቸው CO እና C=O የF-NMC811 መፍታት ውስን መሆኑን ያመለክታሉ። በ XPS የF1s ስፔክትረም (ምስል 5c) F-NMC811 ኃይለኛ የ LiF ምልክት አሳይቷል፣ ይህም CEI ከፍተኛ መጠን ያለው LiF ከፍሎራይድ ካላቸው መሟሟቶች የተገኘ መሆኑን ያረጋግጣል። በ F-NMC811 ቅንጣቶች ላይ የ F, O, Ni, Co, እና Mn አባሎችን በአከባቢው አካባቢ ካርታ ማዘጋጀቱ ዝርዝሮቹ በአጠቃላይ ተመሳሳይ በሆነ መልኩ መሰራጨታቸውን ያሳያል (ምስል 5d). በስእል 5e ላይ ያለው ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ያለው TEM ምስል CEI NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮዱን በአንድነት ለመሸፈን እንደ መከላከያ ንብርብር መስራት እንደሚችል ያሳያል። የበይነገፁን መዋቅራዊ ዝግመተ ለውጥ የበለጠ ለማረጋገጥ የከፍተኛ አንግል ክብ የጨለማ መስክ ቅኝት ማስተላለፊያ ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፒ (HAADF-STEM እና ክብ የብሩህ መስክ ቅኝት ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፒ (ABF-STEM) ሙከራዎች ተካሂደዋል ለካርቦኔት ኤሌክትሮላይት (ሲ.ሲ.) -NMC811) እየተዘዋወረ አዎንታዊ electrode ላይ ላዩን ከባድ ደረጃ ለውጥ አድርጓል, እና የተዘበራረቀ ዓለት ጨው ዙር በአዎንታዊ electrode ወለል ላይ (ስእል 5f) ላይ የተከማቸ ነው, perfluorinated ኤሌክትሮ, የ F-NMC811 ላዩን. ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድስ የተደራረበ መዋቅር ይይዛል (ምስል 5 ሰ) ፣ ይህም ጎጂ መሆኑን ያሳያል ። በተቀባው ኤሌክትሮላይት ውስጥ በ NMC811 አወንታዊ ኤሌክትሮድስ ገጽ ላይ CEI ንብርብር።

ምስል 6 ሀ) በ NMC811 ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ ላይ ያለው የኢንተርፋዝ ደረጃ የ TOF-SIM ስፔክትረም. (ac) በ NMC811 አወንታዊ ኤሌክትሮዶች ላይ ስለ ልዩ ሁለተኛ ion ቁርጥራጮች ጥልቅ ትንተና። (ዲኤፍ) የሁለተኛው ion ክፍልፋይ TOF-SIMS ኬሚካላዊ ስፔክትረም ከ180 ሰከንድ በኋላ በኦርጅናሉ ላይ ሲ-NMC811 እና F-NMC811።

C2F-ቁርጥራጮች በአጠቃላይ የ CEI ኦርጋኒክ ንጥረ ነገሮች ተደርገው ይወሰዳሉ፣ እና LiF2- እና PO2-fragments አብዛኛውን ጊዜ እንደ ኦርጋኒክ ያልሆኑ ዝርያዎች ይቆጠራሉ። በሙከራው ውስጥ በከፍተኛ ሁኔታ የተሻሻሉ የ LiF2- እና PO2- ምልክቶች ተገኝተዋል (ምስል 6a, b) ይህም የ F-NMC811 CEI ንብርብር ብዙ ቁጥር ያላቸው ኦርጋኒክ ያልሆኑ ዝርያዎችን እንደያዘ ያሳያል። በተቃራኒው የ F-NMC2 C811F-ሲግናል ከ C-NMC811 (ስእል 6c) የበለጠ ደካማ ነው, ይህም ማለት የ CEI ንብርብር F-NMC811 ያነሰ ደካማ የኦርጋኒክ ዝርያዎችን ይዟል. ተጨማሪ ምርምር ተገኝቷል (ምስል 6d-f) በ C-NMC811 CEI ውስጥ ብዙ ኦርጋኒክ ያልሆኑ ዝርያዎች ሲኖሩ በ C-NMC811 ውስጥ ጥቂት የማይባሉ ዝርያዎች አሉ። እነዚህ ሁሉ ውጤቶች በተቀባው ኤሌክትሮላይት ውስጥ ጠንካራ የሆነ ኦርጋኒክ-የበለፀገ CEI ንብርብር መፈጠሩን ያሳያሉ። ባህላዊ ኤሌክትሮላይትን በመጠቀም ከ NMC811/Gr ለስላሳ-ጥቅል ባትሪ ጋር ሲነጻጸር፣ ለስላሳ-ጥቅል ባትሪው በደህንነት መሻሻል በ perfluorinated electrolyte ሊገለጽ ይችላል፡ በመጀመሪያ፣ በኦርጋኒክ ባልሆነ LiF የበለፀገ የ CEI ንብርብር በቦታው መፈጠሩ ጠቃሚ ነው። የደስ ደስ NMC811 አወንታዊ electrode ያለው የተፈጥሮ አማቂ መረጋጋት ደረጃ ሽግግር ምክንያት ጥልፍልፍ ኦክስጅን ልቀት ይቀንሳል; በሁለተኛ ደረጃ ፣ ጠንካራው የኢንኦርጋኒክ የ CEI መከላከያ ሽፋን በጣም ፈጣን ምላሽ ሰጪ የሆነውን የዲታላይዜሽን NMC811 ከኤሌክትሮላይት ጋር እንዳይገናኝ ይከላከላል ፣ ይህም የ exothermic የጎንዮሽ ምላሽን ይቀንሳል ። ሦስተኛው፣ የፔሮፍሎራይንድ ኤሌክትሮላይት በከፍተኛ ሙቀት ከፍተኛ የሙቀት መረጋጋት አለው።

መደምደሚያ እና ተምሳሌት

ይህ ሥራ በተቀባ ኤሌክትሮላይት በመጠቀም ተግባራዊ የሆነ Gr/NMC811 ቦርሳ-አይነት ሙሉ ባትሪ መሥራቱን ሪፖርት አድርጓል፣ ይህም የደህንነት አፈጻጸሙን በእጅጉ አሻሽሏል። ውስጣዊ የሙቀት መረጋጋት. የ TR እገዳ ዘዴ እና በእቃዎች እና በባትሪ ደረጃዎች መካከል ያለውን ትስስር በጥልቀት ማጥናት. የእርጅና ሂደቱ በባህላዊው ኤሌክትሮላይት በመጠቀም በእርጅና ጊዜ ካለው ባትሪ ይልቅ ግልጽ ጥቅሞች ያሉት በተቀባው ኤሌክትሮላይት ባትሪ የ TR ቀስቅሴ የሙቀት መጠን (T2) ላይ ተጽእኖ አያመጣም. በተጨማሪም, exothermic ጫፍ ከ TR ውጤቶች ጋር የሚጣጣም ነው, ይህም ኃይለኛ CEI ለሊቲየም-ነጻ ፖዘቲቭ ኤሌክትሮድ እና ሌሎች የባትሪ ክፍሎች የሙቀት መረጋጋት ምቹ መሆኑን ያሳያል. እነዚህ ውጤቶች እንደሚያሳዩት የተረጋጋው የ CEI ንብርብር የውስጠ-ቁጥጥር ንድፍ ለደህንነቱ የተጠበቀ ከፍተኛ ኃይል ሊቲየም ባትሪዎችን ተግባራዊ ለማድረግ ጠቃሚ መመሪያ አለው።

የስነ-ጽሁፍ መረጃ

አብሮገነብ Ultraconformal Interphases ከፍተኛ-ደህንነት ተግባራዊ ሊቲየም ባትሪዎችን፣ የኢነርጂ ማከማቻ ቁሶችን፣ 2021ን አንቃ።