ESM: Fifandraisana ultra-conformal vita amin'ny electrolyte perfluorinated ho an'ny bateria lithium mahery vaika azo ampiharina

Fikarohana momba ny fikarohana

Ao amin'ny bateria lithium-ion, mba hahatratrarana ny tanjona 350 Wh Kg-1, ny fitaovana cathode dia mampiasa okside misy sosona misy nikela (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, antsoina hoe NMCxyz). Miaraka amin'ny fitomboan'ny hakitroky ny angovo, nahasarika ny sain'ny olona ny loza mifandraika amin'ny fandosiran'ny hafanana mafana ataon'ny LIB. Avy amin'ny fomba fijery ara-materialy, manana olana ara-piarovana lehibe ny electrodes tsara manankarena nikela. Ho fanampin'izany, ny oxidation / crosstalk amin'ny singa bateria hafa, toy ny ranon-javatra organika sy ny electrodes ratsy, dia mety hiteraka fihanaky ny hafanana, izay heverina ho antony voalohany mahatonga ny olana amin'ny fiarovana. Ny fananganana in-situ azo fehezina amin'ny interface electrode-electrolyte stable no tetika voalohany ho an'ny taranaka manaraka amin'ny bateria mifototra amin'ny lithium avo lenta. Amin'ny ankapobeny, ny interphase cathode-electrolyte (CEI) matanjaka sy matevina miaraka amin'ny singa tsy organika ambony kokoa dia afaka mamaha ny olana amin'ny fiarovana amin'ny alàlan'ny fanakanana ny famoahana oksizenina. Hatreto, tsy ampy ny fikarohana momba ny fitaovana novaina amin'ny katoda CEI sy ny fiarovana amin'ny bateria.

Fampisehoana zava-bita

Vao haingana, Feng Xuning, Wang Li, ary Ouyang Minggao ao amin'ny Oniversiten'i Tsinghua dia namoaka taratasy fikarohana mitondra ny lohateny hoe "In-Built Ultraconformal Interphases Enable High-Safety Practical Lithium Batteries" amin'ny Energy Storage Materials. Ny mpanoratra dia nanombantombana ny fahombiazan'ny fiarovana ny bateria feno NMC811/Gr feno malefaka sy ny fahamarinan-toerana mafana amin'ny electrode tsara CEI mifanaraka amin'izany. Ny mekanika fanafoanana ny fandosirana mafana eo anelanelan'ny akora sy ny bateria fonosana malefaka dia nodinihina tanteraka. Amin'ny fampiasana electrolyte perfluorinated tsy mirehitra, dia nomanina ny bateria feno karazana kitapo NMC811/Gr. Ny fahamarinan-toerana mafana amin'ny NMC811 dia nohatsaraina tamin'ny alàlan'ny sosona fiarovana CEI voaforona ao amin'ny toerana manankarena amin'ny LiF inorganika. Ny CEI an'ny LiF dia afaka manamaivana ny famotsorana oksizenina vokatry ny fiovan'ny dingana ary manakana ny fanehoan-kevitra exothermic eo amin'ny NMC811 faly sy ny electrolyte fluorinated.

Torolàlana momba ny sary

Figure 1 Fampitahana ny toetrandro mandositra mafana amin'ny NMC811/Gr pouch-karazana bateria feno amin'ny fampiasana electrolyte perfluorinated sy electrolyte mahazatra. Taorian'ny tsingerin'ny nentim-paharazana (a) EC / EMC sy (b) perfluorinated FEC / FEMC / HFE electrolyte karazana kitapo feno bateria. (c) Electrolyse EC/EMC mahazatra sy (d) batterie feno feno karazana paosin-kitapo feno perfluorinated FEC/FEMC/HFE efa antitra aorian'ny tsingerina 100.

Ho an'ny bateria NMC811/Gr miaraka amin'ny electrolyte nentim-paharazana aorian'ny tsingerina iray (sary 1a), ny T2 dia amin'ny 202.5 ​​° C. Mitranga ny T2 rehefa mihena ny voltase misokatra. Na izany aza, ny T2 ny bateria mampiasa ny perfluorinated electrolyte dia mahatratra 220.2 ° C (sary 1b), izay mampiseho fa ny perfluorinated electrolyte dia afaka manatsara ny fiarovana ara-panamafisana ny bateria amin'ny lafiny iray noho ny mari-pana ambony kokoa. Rehefa antitra ny bateria, dia nidina ho 2 ° C ny sandan'ny T195.2 an'ny bateria electrolyte nentim-paharazana (sary 1c). Na izany aza, ny fizotry ny fahanterana dia tsy misy fiantraikany amin'ny T2 amin'ny bateria amin'ny fampiasana electrolytes perfluorinated (sary 1d). Ankoatr'izay, ny sandan'ny dT / dt ambony indrindra amin'ny bateria mampiasa ny electrolyte nentim-paharazana mandritra ny TR dia avo indrindra amin'ny 113 ° C s-1, raha ny bateria mampiasa ny electrolyte perfluorinated dia 32 ° C s-1 ihany. Ny fahasamihafan'ny T2 amin'ny bateria efa antitra dia azo lazaina amin'ny fahamarinan-toerana mafana ao amin'ny NMC811 mahafinaritra, izay mihena amin'ny electrolytes mahazatra, saingy azo tazonina tsara amin'ny electrolytes perfluorinated.

Figure 2 Thermal fahamarinan-toerana ny delithiation NMC811 tsara electrode sy NMC811/Gr bateria mifangaro. (A, b) Sarintany contour an'ny C-NMC811 sy F-NMC811 synchrotron avo lenta XRD ary ny fiovan'ny tampon'ny diffraction (003). (c) Ny fitondran-tena fanafanana sy oksizenina famoahana ny electrode tsara ny C-NMC811 sy F-NMC811. (d) DSC curve ny santionany fifangaroan'ny faly electrode tsara, lithiated ratsy electrode, ary electrolyte.

Ny sary 2a sy b dia mampiseho ny curve HEXRD an'ny NMC81 mahafinaritra miaraka amin'ny sosona CEI samihafa amin'ny fisian'ny electrolytes mahazatra ary mandritra ny vanim-potoana manomboka amin'ny mari-pana amin'ny efitrano ka hatramin'ny 600 ° C. Ny valiny dia mampiseho mazava tsara fa eo anatrehan'ny electrolyte, ny sosona CEI matanjaka dia manampy amin'ny fahamarinan-toerana mafana amin'ny cathode napetraka lithium. Araka ny aseho amin'ny sary 2c, ny F-NMC811 tokana dia nampiseho tampon'ny exothermic miadana kokoa amin'ny 233.8 ° C, raha ny tampon'ny exothermic C-NMC811 kosa dia niseho tamin'ny 227.3 ° C. Ankoatra izany, ny hamafin'ny sy ny tahan'ny famotsorana oksizenina vokatry ny dingana tetezamita ny C-NMC811 dia mafy kokoa noho ny an'ny F-NMC811, izay manamafy bebe kokoa fa matanjaka CEI manatsara ny mari-pana voajanahary ny F-NMC811. Ny sary 2d dia manao fitsapana DSC amin'ny fifangaroan'ny NMC811 mahafinaritra sy ireo singa bateria mifandraika amin'izany. Ho an'ny electrolytes mahazatra, ny tendrony exothermic amin'ny santionany miaraka amin'ny tsingerina 1 sy 100 dia manondro fa ny fahanteran'ny interface mahazatra dia hampihena ny fahamarinan-toerana mafana. Mifanohitra amin'izany kosa, ho an'ny electrolyte perfluorinated, ny fanoharana taorian'ny tsingerina 1 sy 100 dia mampiseho tampon'ny exothermic malalaka sy malefaka, mifanaraka amin'ny mari-pana trigger TR (T2). Ny valiny (sary 1) dia tsy miova, izay manondro fa ny CEI matanjaka dia afaka manatsara ny fahamarinan-toerana mafana amin'ny NMC811 antitra sy faly ary ireo singa bateria hafa.

Figure 3 Famaritana ny electrode tsara NMC811 faly amin'ny electrolyte perfluorinated. (ab) Sarin'ny SEM cross-sectional amin'ny electrode tsara F-NMC811 efa antitra ary ny sarintany EDS mifanaraka amin'izany. (ch) Fizarana singa. (ij) Sarin'ny SEM cross-sectional an'ny electrode positive F-NMC811 antitra amin'ny xy virtoaly. (km) Fanarenana ny rafitra 3D FIB-SEM sy ny fizarana spatial ny singa F.

Mba hanamafisana ny fiforonan'ny fluorinated CEI, ny morphologie cross-sectional sy ny fizarana ny singa amin'ny electrode tsara NMC811 efa antitra hita ao amin'ny batterie malefaka dia voamariky ny FIB-SEM (sary 3 ah). Ao amin'ny electrolyte perfluorinated, misy sosona CEI fluorinated fanamiana miforona eo ambonin'ny F-NMC811. Ny mifanohitra amin'izany, ny C-NMC811 amin'ny electrolyte mahazatra dia tsy manana F ary mamorona sosona CEI tsy mitovy. Ny votoatin'ny singa F eo amin'ny fizaran'ny F-NMC811 (sary 3h) dia ambony noho ny an'ny C-NMC811, izay manaporofo bebe kokoa fa ny fananganana in-situ ny mesophase fluorinated inorganika no fanalahidin'ny fitazonana ny fahamarinan'ny NMC811 faly. . Noho ny fanampian'ny sarintany FIB-SEM sy EDS, araka ny aseho amin'ny sary 3m, dia nahatsikaritra singa F maro tao amin'ny maodely 3D teo ambonin'ny F-NMC811.

Figure 4a) fizarana halalin'ny singa eo amin'ny tampon'ny electrode positive NMC811 tany am-boalohany sy mahafinaritra. (ac) FIB-TOF-SIMS dia manipy ny fizarana ny singa F, O, ary Li ao amin'ny electrode tsara an'ny NMC811. (df) Ny morphologie ambonin'ny tany sy ny fizarana halalin'ny singa F, O, ary Li an'ny NMC811.

FIB-TOF-SEM dia nanambara ny halalin'ny fizarana ny singa eo amin'ny tampon'ny electrode tsara ny NMC811 (sary 4). Raha ampitahaina amin'ny santionany tany am-boalohany sy C-NMC811, dia nisy fitomboana lehibe tamin'ny famantarana F hita tao amin'ny sosona ambony ambony amin'ny F-NMC811 (sary 4a). Ankoatr'izay, ny mari-pamantarana O sy Li avo lenta eny ambonin'ny tany dia manondro ny fiforonan'ny sosona CEI manankarena F- sy Li (sary 4b, c). Ireo valiny rehetra ireo dia nanamafy fa ny F-NMC811 dia manana sosona CEI manankarena LiF. Raha ampitahaina amin'ny CEI an'ny C-NMC811, ny sosona CEI an'ny F-NMC811 dia misy singa F sy Li bebe kokoa. Fanampin'izany, araka ny asehon'ny Sary. 4d-f, avy amin'ny fomba fijery ny halalin'ny ion etching, ny firafitry ny NMC811 tany am-boalohany dia matanjaka kokoa noho ny NMC811 faly. Ny halalin'ny etch an'ny F-NMC811 antitra dia kely noho ny C-NMC811, izay midika fa ny F-NMC811 dia manana fahamarinan-toerana tsara.

Figure 5 CEI singa simika eo amin'ny ambonin'ny ny tsara electrode ny NMC811. (a) XPS spectrum an'ny NMC811 positive electrode CEI. (bc) XPS C1s sy F1s spectra ny tany am-boalohany sy faly NMC811 electrode tsara CEI. (d) Cryo-transmission electron microscope: fizarana singa ny F-NMC811. (e) Sarin'ny CEI miforona ao amin'ny F-NMC81 ny sarin'ny TEM mangatsiaka. (fg) sary STEM-HAADF sy STEM-ABF an'ny C-NMC811. (hi) sary STEM-HAADF sy STEM-ABF an'ny F-NMC811.

Nampiasa XPS izy ireo mba hamaritana ny singa simika amin'ny CEI ao amin'ny NMC811 (sary 5). Tsy toy ny C-NMC811 tany am-boalohany, ny CEI an'ny F-NMC811 dia misy F sy Li lehibe nefa C kely (sary 5a). Ny fihenan'ny karazana C dia manondro fa ny CEI manankarena LiF dia afaka miaro ny F-NMC811 amin'ny fampihenana ny fanehoan-kevitra maharitra amin'ny electrolytes (sary 5b). Ankoatr'izay, ny habetsahan'ny CO sy C = O kely kokoa dia manondro fa voafetra ny solvolysis ny F-NMC811. Ao amin'ny spektrum F1s an'ny XPS (sary 5c), F-NMC811 dia nampiseho famantarana LiF mahery, nanamafy fa ny CEI dia misy LiF be dia be avy amin'ny solvent fluorinated. Ny fametahana ny singa F, O, Ni, Co, ary Mn ao amin'ny faritra eo an-toerana amin'ny singa F-NMC811 dia mampiseho fa ny antsipirihan'ny tsipirian'ilay dia miparitaka amin'ny ankapobeny (sary 5d). Ny sary TEM ambany mari-pana ao amin'ny Figure 5e dia mampiseho fa ny CEI dia afaka miasa toy ny sosona fiarovana mba hanarona ny electrode tsara NMC811. Mba hanamafisana bebe kokoa ny fivoarana ara-drafitra amin'ny interface, dia natao ny andrana elektronika fifindran'ny electron microscopie (HAADF-STEM sy microscopie electron microscopie (ABF-STEM) miolikolika amin'ny faritra maizina. -NMC811), Ny elektrôlôda tsara mivezivezy dia nandalo fiovana mahery vaika, ary ny dingan-tsiran'ny vatolampy mikorontana dia miangona eo ambonin'ny elektrôda tsara (sary 5f). Ny electrode positive dia mitazona rafitra misy sosona (sary 811h), manondro fa manimba Ny dingana dia manjary mahomby. CEI sosona eo amin'ny tsara electrode ambonin'ny NMC5 amin'ny perfluorinated electrolyte.

Figure 6a) TOF-SIMS spectrum ny interphase dingana eo amin'ny ambonin'ny NMC811 tsara electrode. (ac) Famakafakana lalina ny sombintsombiny ion faharoa manokana amin'ny electrode tsara an'ny NMC811. (df) TOF-SIMS spektrum simika amin'ny sombiny ion faharoa taorian'ny 180 segondra nipoitra tamin'ny voalohany, C-NMC811 sy F-NMC811.

Ny sombintsombin'ny C2F dia heverina ho akora organika an'ny CEI, ary ny LiF2- sy PO2-fragments dia heverina ho karazana tsy organika. Ny mari-pamantarana lehibe kokoa amin'ny LiF2- sy PO2- dia azo tamin'ny fanandramana (sary 6a, b), izay manondro fa ny sosona CEI an'ny F-NMC811 dia misy karazana tsy ara-organika marobe. Mifanohitra amin'izany, ny famantarana C2F an'ny F-NMC811 dia malemy kokoa noho ny an'ny C-NMC811 (sary 6c), izay midika fa ny sosona CEI an'ny F-NMC811 dia misy karazana organika marefo kokoa. Hita tamin'ny fikarohana fanampiny (sary 6d-f) fa betsaka kokoa ny karazana tsy ara-organika ao amin'ny CEI an'ny F-NMC811, raha vitsy kokoa ny karazana tsy ara-organika ao amin'ny C-NMC811. Ireo vokatra rehetra ireo dia mampiseho ny fiforonan'ny sosona CEI manankarena tsy ara-organika mafy ao amin'ny electrolyte perfluorinated. Raha ampitahaina amin'ny NMC811/Gr batterie malefaka amin'ny fampiasana electrolyte nentim-paharazana, ny fanatsarana ny fiarovana ny batterie malefaka amin'ny alàlan'ny electrolyte perfluorinated dia azo lazaina amin'ny: Voalohany, ny fananganana in-situ ny sosona CEI manankarena amin'ny LiF inorganika dia mahasoa. Ny fahamarinan-toerana mafana ao amin'ny electrode tsara NMC811 faly dia mampihena ny famotsorana ny oksizenina makarakara vokatry ny fiovan'ny dingana; faharoa, ny sosona fiarovana mafy inorganic CEI manakana ny delithiation NMC811 tena reactive tsy hifandray amin'ny electrolyte, mampihena ny fanehoan-kevitra exothermic lafiny; fahatelo, Ny perfluorinated electrolyte manana mari-pana ambony amin'ny hafanana ambony.

Famaranana sy Fandrosoana

Ity asa ity dia nitatitra ny fivoaran'ny bateria feno karazana paosy Gr/NMC811 azo ampiasaina amin'ny alàlan'ny electrolyte perfluorinated, izay nanatsara ny fahombiazany. Ny fahamarinan-toeran'ny thermal intrinsic. Fandalinana lalina momba ny mekanika fanakanana TR sy ny fifandraisan'ny fitaovana sy ny haavon'ny bateria. Ny fizotry ny fahanterana dia tsy misy fiantraikany amin'ny mari-pana trigger TR (T2) an'ny bateria electrolyte perfluorinated mandritra ny tafio-drivotra iray manontolo, izay manana tombony miharihary amin'ny bateria efa antitra amin'ny fampiasana ny electrolyte nentim-paharazana. Ankoatr'izay, ny tampon'ny exothermic dia mifanaraka amin'ny valin'ny TR, izay manondro fa ny CEI matanjaka dia mifanaraka amin'ny fahamarinan'ny hafanana amin'ny electrode tsara tsy misy lithium sy ny singa bateria hafa. Ireo vokatra ireo dia mampiseho fa ny famolavolana fanaraha-maso in-situ amin'ny sosona CEI stable dia manana lanjany lehibe amin'ny fitarihana amin'ny fampiharana azo ampiharina amin'ny bateria lithium mahery vaika kokoa.

Fampahalalana momba ny haisoratra

Ny Interphase Ultraconformal In-Built dia mamela ny bateria Lithium Practical fiarovana avo, fitaovana fitahirizana angovo, 2021.