ESM: געבויט-אין הינטער-קאַנפאָרמאַל צובינד פון פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע פֿאַר פּראַקטיש הויך-ענערגיע ליטהיום באַטעריז

פאָרשונג הינטערגרונט

אין ליטהיום-יאָן באַטעריז, צו דערגרייכן דעם ציל פון 350 ווה קג-1, די קאַטאָוד מאַטעריאַל ניצט ניקאַל-רייַך לייערד אַקסייד (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, גערופן NMCxyz). מיט די פאַרגרעסערן פון ענערגיע געדיכטקייַט, די דיינדזשערז שייַכות צו טערמאַל ראַנאַוויי פון ליבס האָבן געצויגן די ופמערקזאַמקייט פון מענטשן. פֿון אַ מאַטעריאַל פּערספּעקטיוו, ניקאַל-רייַך positive ילעקטראָודז האָבן ערנסט זיכערקייַט ישוז. אין אַדישאַן, אַקסאַדיישאַן / קראָסטאַלק פון אנדערע באַטאַרייע קאַמפּאָונאַנץ, אַזאַ ווי אָרגאַניק ליקווידס און נעגאַטיוו ילעקטראָודז, קענען אויך צינגל טערמאַל ראַנאַוויי, וואָס איז געהאלטן די לידינג סיבה פון זיכערקייַט פּראָבלעמס. די קאַנטראָולאַבאַל פאָרמירונג אין-סיטו פון אַ סטאַביל ילעקטראָוד-עלעקטראָליטע צובינד איז די ערשטיק סטראַטעגיע פֿאַר דער ווייַטער דור פון הויך-ענערגיע-געדיכטקייַט ליטהיום-באזירט באַטעריז. ספּאַסיפיקלי, אַ האַרט און געדיכט קאַטאָוד-עלעקטראָליטע ינטערפאַסע (CEI) מיט העכער טערמאַל פעסטקייַט ינאָרגאַניק קאַמפּאָונאַנץ קענען סאָלווע די זיכערקייַט פּראָבלעם דורך ינכיבאַטינג די מעלדונג פון זויערשטאָף. ביז איצט, עס איז אַ פעלן פון פאָרשונג אויף CEI קאַטאָוד-מאַדאַפייד מאַטעריאַלס און באַטאַרייע-מדרגה זיכערקייַט.

דערגרייה אַרויסווייַזן

לעצטנס, Feng Xuning, Wang Li און Ouyang Minggao פון Tsinghua אוניווערסיטעט ארויס אַ פאָרשונג פּאַפּיר ענטייטאַלד "אין-געבויט ולטראַקאָנפאָרמאַל ינטערפאַסעס געבן הויך-זיכערקייַט פּראַקטיש ליטהיום באַטעריז" אויף ענערגיע סטאָרידזש מאַטעריאַלס. דער מחבר עוואַלואַטעד די זיכערקייַט פאָרשטעלונג פון די פּראַקטיש NMC811 / Gr ווייך-פּאַקט פול באַטאַרייע און די טערמאַל פעסטקייַט פון די קאָראַספּאַנדינג CEI positive ילעקטראָוד. די טערמאַל ראַנאַוויי סאַפּרעשאַן מעקאַניזאַם צווישן די מאַטעריאַל און די ווייך פּאַק באַטאַרייע איז פולשטענדיק געלערנט. ניצן אַ ניט-ברענעוודיק פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע, אַ NMC811 / גר טאַש-טיפּ פול באַטאַרייע איז געווען צוגעגרייט. די טערמאַל פעסטקייַט פון NMC811 איז ימפּרוווד דורך די ינ-סיטו געשאפן CEI פּראַטעקטיוו שיכטע רייַך אין ינאָרגאַניק ליף. די CEI פון LiF קענען יפעקטיוולי גרינגער מאַכן די זויערשטאָף מעלדונג געפֿירט דורך די פאַסע ענדערונג און ינכיבאַט די עקסאָטהערמיק אָפּרוף צווישן די דילייטיד NMC811 און די פלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע.

גראַפיק פירער

פיגורע 1 פאַרגלייַך פון טערמאַל ראַנאַוויי קעראַקטעריסטיקס פון פּראַקטיש נמק811/גר טאַש-טיפּ פול באַטאַרייע ניצן פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע און קאַנווענשאַנאַל עלעקטראָליטע. נאָך איין ציקל פון טראדיציאנעלן (אַ) עק / עמק און (ב) פּערפלאָראַנייטיד פעק / פעמק / הפע עלעקטראָליטע טאַש טיפּ פול באַטעריז. (C) קאַנווענשאַנאַל עק / עמק עלעקטראָליסיס און (ד) פּערפלאָראַנייטיד פעק / פעמק / הפע עלעקטראָליטע טאַש-טיפּ פול באַטאַרייע אַלט נאָך 100 סייקאַלז.

פֿאַר די NMC811 / Gr באַטאַרייע מיט טראדיציאנעלן עלעקטראָליטע נאָך איין ציקל (פיגורע 1 אַ), ט 2 איז ביי 202.5 ° C. ט 2 אַקערז ווען די עפענען-קרייַז וואָולטידזש טראפנס. אָבער, די ט 2 פון די באַטאַרייע ניצן די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע ריטשאַז 220.2 ° C (פיגורע 1 ב), וואָס ווייזט אַז די פּערפללאָרינאַטעד עלעקטראָליטע קענען פֿאַרבעסערן די טאָכיק טערמאַל זיכערקייַט פון די באַטאַרייע צו אַ זיכער מאָס רעכט צו זיין העכער טערמאַל פעסטקייַט. ווי די באַטאַרייע עלטער, די ט 2 ווערט פון די טראדיציאנעלן עלעקטראָליטע באַטאַרייע טראפנס צו 195.2 ° C (פיגורע 1 ק). אָבער, די יידזשינג פּראָצעס טוט נישט ווירקן די ט 2 פון די באַטאַרייע ניצן פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטעס (פיגורע 1 ד). אין אַדישאַן, די מאַקסימום דט / דט ווערט פון די באַטאַרייע ניצן די טראדיציאנעלן עלעקטראָליטע בעשאַס TR איז ווי הויך ווי 113 ° C s-1, בשעת די באַטאַרייע ניצן די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע איז בלויז 32 ° C s-1. דער חילוק אין ט 2 פון יידזשינג באַטעריז קענען זיין אַטריביאַטאַד צו די טאָכיק טערמאַל פעסטקייַט פון דילייטיד NMC811, וואָס איז רידוסט אונטער קאַנווענשאַנאַל עלעקטראָליטעס, אָבער קענען זיין יפעקטיוולי מיינטיינד אונטער פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטעס.

פיגורע 2 טערמאַל פעסטקייַט פון דעליטהאַטיאָן נמק811 positive ילעקטראָוד און נמק811/גר באַטאַרייע געמיש. (א, ב) קאַנטור מאַפּס פון C-NMC811 און F-NMC811 סינטשראָטראָן הויך-ענערגיע קסרד און די קאָראַספּאַנדינג (003) דיפפראַקשאַן שפּיץ ענדערונגען. (C) די באַהיצונג און זויערשטאָף מעלדונג נאַטור פון די positive ילעקטראָוד פון C-NMC811 און F-NMC811. (ד) דסק ויסבייג פון מוסטער געמיש פון די דילייטיד positive ילעקטראָוד, ליטיאַטעד נעגאַטיוו ילעקטראָוד און עלעקטראָליטע.

פיגיערז 2 אַ און ב ווייַזן די HEXRD קורוועס פון דילייטיד NMC81 מיט פאַרשידענע CEI לייַערס אין דעם בייַזייַן פון קאַנווענשאַנאַל עלעקטראָליטעס און בעשאַס די צייַט פון צימער טעמפּעראַטור צו 600 ° C. די רעזולטאַטן קלאר ווייַזן אַז אין דעם בייַזייַן פון אַ עלעקטראָליטע, אַ שטאַרק CEI שיכטע איז קאַנדוסיוו צו די טערמאַל פעסטקייַט פון די ליטהיום-דיפּאַזאַטאַד קאַטאָוד. ווי געוויזן אין פיגורע 2c, אַ איין F-NMC811 געוויזן אַ סלאָוער עקסאָטהערמיק שפּיץ ביי 233.8 ° C, בשעת די C-NMC811 עקסאָטהערמיק שפּיץ ארויס ביי 227.3 ° C. אין אַדישאַן, די ינטענסיטי און קורס פון זויערשטאָף מעלדונג געפֿירט דורך די פאַסע יבערגאַנג פון C-NMC811 זענען מער שטרענג ווי די פון F-NMC811, וואָס נאָך באַשטעטיקן אַז געזונט CEI ימפּרוווז די טאָכיק טערמאַל פעסטקייַט פון F-NMC811. פיגורע 2 ד פּערפאָרמז אַ DSC פּראָבע אויף אַ געמיש פון דילייטיד NMC811 און אנדערע קאָראַספּאַנדינג באַטאַרייע קאַמפּאָונאַנץ. פֿאַר קאַנווענשאַנאַל עלעקטראָליטעס, די עקסאָטהערמיק פּיקס פון סאַמפּאַלז מיט 1 און 100 סייקאַלז אָנווייַזן אַז די יידזשינג פון די טראדיציאנעלן צובינד וועט רעדוצירן טערמאַל פעסטקייַט. אין קאַנטראַסט, פֿאַר די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע, די אילוסטראציעס נאָך 1 און 100 סייקאַלז ווייַזן ברייט און מילד עקסאָטהערמיק פּיקס, אין שורה מיט די TR צינגל טעמפּעראַטור (T2). די רעזולטאַטן (פיגורע 1) זענען קאָנסיסטענט, וואָס ינדיקייץ אַז די שטאַרק CEI קענען יפעקטיוולי פֿאַרבעסערן די טערמאַל פעסטקייַט פון די אַלט און דילייטיד NMC811 און אנדערע באַטאַרייע קאַמפּאָונאַנץ.

פיגורע 3 קעראַקטעריסטיקס פון דילייטיד NMC811 positive ילעקטראָוד אין די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע. (אַב) קרייַז-סעקשאַנאַל SEM בילדער פון די אַלט F-NMC811 positive ילעקטראָוד און קאָראַספּאַנדינג EDS מאַפּינג. (טש) עלעמענט פאַרשפּרייטונג. (ij) קרייַז-סעקשאַנאַל סעם בילד פון די אַלט F-NMC811 positive ילעקטראָוד אויף ווירטואַל קסי. (קם) ריקאַנסטראַקשאַן פון 3D FIB-SEM סטרוקטור און ספּיישאַל פאַרשפּרייטונג פון F עלעמענטן.

צו באַשטעטיקן די קאַנטראָולאַבאַל פאָרמירונג פון פלאָראַנייטיד CEI, די קרייַז-סעקשאַנאַל מאָרפאָלאָגי און עלעמענט פאַרשפּרייטונג פון די אַלט NMC811 positive ילעקטראָוד ריקאַווערד אין די פאַקטיש ווייך-פּאַק באַטאַרייע זענען קעראַקטערייזד דורך FIB-SEM (Figure 3 ah). אין די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע, אַ מונדיר פלאָראַנייטיד CEI שיכטע איז געשאפן אויף די ייבערפלאַך פון F-NMC811. אויף די פאַרקערט, C-NMC811 אין די קאַנווענשאַנאַל עלעקטראָליטע פעלן F און פארמען אַן אַניוואַן סעי שיכטע. דער אינהאַלט פון F עלעמענטן אויף די קרייַז-אָפּטיילונג פון F-NMC811 (פיגורע 3 ה) איז העכער ווי די פון C-NMC811, וואָס ווייַטער פּראָוועס אַז די ינ-סיטו פאָרמירונג פון די ינאָרגאַניק פלאָראַנייטיד מעסאָפאַסע איז דער שליסל צו האַלטן די פעסטקייַט פון דילייטיד NMC811. . מיט די הילף פון FIB-SEM און EDS מאַפּינג, ווי געוויזן אין פיגורע 3m, עס באמערקט פילע F עלעמענטן אין די 3D מאָדעל אויף די ייבערפלאַך פון F-NMC811.

פיגורע 4אַ) עלעמענט טיף פאַרשפּרייטונג אויף די ייבערפלאַך פון דער אָריגינעל און דילייטיד positive ילעקטראָוד NMC811. (אַק) FIB-TOF-SIMS ספּאַטערז די פאַרשפּרייטונג פון F, O און Li עלעמענטן אין די positive ילעקטראָוד פון NMC811. (df) די ייבערפלאַך מאָרפאָלאָגי און טיף פאַרשפּרייטונג פון F, O, און Li עלעמענטן פון NMC811.

FIB-TOF-SEM ווייַטער גילוי די טיפקייַט פאַרשפּרייטונג פון עלעמענטן אויף די ייבערפלאַך פון די positive ילעקטראָוד פון NMC811 (פיגורע 4). קאַמפּערד מיט די אָריגינעל און C-NMC811 סאַמפּאַלז, אַ באַטייטיק פאַרגרעסערן אין F סיגנאַל איז געפֿונען אין די שפּיץ ייבערפלאַך שיכטע פון ​​F-NMC811 (פיגורע 4 אַ). אין דערצו, די שוואַך אָ און הויך לי סיגנאַלז אויף די ייבערפלאַך אָנווייַזן די פאָרמירונג פון F- און לי-רייַך סעי לייַערס (פיגורע 4ב, C). די רעזולטאַטן אַלע באשטעטיקט אַז F-NMC811 האט אַ LiF-רייַך CEI שיכטע. קאַמפּערד מיט די CEI פון C-NMC811, די CEI שיכטע פון ​​​​F-NMC811 כּולל מער F און Li עלעמענטן. אין דערצו, ווי געוויזן אין FIGS. 4d-f, פֿון דער פּערספּעקטיוו פון יאָן עטשינג טיפקייַט, די סטרוקטור פון דער אָריגינעל NMC811 איז מער שטאַרק ווי די דילייטיד NMC811. די עטק טיפעניש פון אַלט F-NMC811 איז קלענערער ווי C-NMC811, וואָס מיטל אַז F-NMC811 האט ויסגעצייכנט סטראַקטשעראַל פעסטקייַט.

פיגורע 5 CEI כעמישער זאַץ אויף די ייבערפלאַך פון די positive ילעקטראָוד פון NMC811. (אַ) XPS ספּעקטרום פון NMC811 positive ילעקטראָוד סעי. (בק) XPS C1s און F1s ספּעקטראַ פון דער אָריגינעל און דילייטיד NMC811 positive ילעקטראָוד CEI. (ד) קריאָ-טראַנסמיסיע עלעקטראָן מיקראָסקאָפּ: עלעמענט פאַרשפּרייטונג פון F-NMC811. (e) פאַרפרוירן TEM בילד פון CEI געשאפן אויף F-NMC81. (פג) STEM-HAADF און STEM-ABF בילדער פון C-NMC811. (הי) STEM-HAADF און STEM-ABF בילדער פון F-NMC811.

זיי געוויינט XPS צו קעראַקטערייז די כעמישער זאַץ פון CEI אין NMC811 (פיגורע 5). ניט ענלעך דער אָריגינעל C-NMC811, די CEI פון F-NMC811 כּולל אַ גרויס F און Li אָבער מינערווערטיק C (פיגורע 5 אַ). די רעדוקציע פון ​​C מינים ינדיקייץ אַז LiF-רייַך CEI קענען באַשיצן F-NMC811 דורך רידוסינג די סוסטאַינעד זייַט ריאַקשאַנז מיט עלעקטראָליטעס (פיגורע 5ב). אין אַדישאַן, קלענערער אַמאַונץ פון CO און C=O אָנווייַזן אַז די סאָלוואָליסיס פון F-NMC811 איז לימיטעד. אין די F1s ספּעקטרום פון XPS (פיגורע 5c), F-NMC811 געוויזן אַ שטאַרק LiF סיגנאַל, קאַנפערמינג אַז CEI כּולל אַ גרויס סומע פון ​​​​LiF דערייווד פון פלאָראַנייטיד סאָלוואַנץ. די מאַפּינג פון די F, O, Ni, Co און Mn עלעמענטן אין די היגע געגנט אויף די F-NMC811 פּאַרטיקאַלז ווייזט אַז די דעטאַילס זענען יונאַפאָרמלי פונאנדערגעטיילט ווי אַ גאַנץ (פיגורע 5 ד). די נידעריק-טעמפּעראַטור TEM בילד אין פיגורע 5e ווייזט אַז CEI קענען שפּילן ווי אַ פּראַטעקטיוו שיכטע צו יונאַפאָרמלי דעקן די NMC811 positive ילעקטראָוד. צו ווייַטער באַשטעטיקן די סטראַקטשעראַל עוואָלוציע פון ​​די צובינד, הויך-ווינקל קייַלעכיק פינצטער פעלד סקאַנינג טראַנסמיסיע עלעקטראָן מיקראָסקאָפּי (HAADF-STEM און קייַלעכיק העל-פעלד סקאַנינג טראַנסמיסיע עלעקטראָן מיקראָסקאָפּי (ABF-STEM) יקספּעראַמאַנץ זענען דורכגעקאָכט. -NMC811), די ייבערפלאַך פון די סערקיאַלייטינג positive ילעקטראָוד האט אַנדערגאָן אַ שטרענג פאַסע ענדערונג, און אַ דיסאָרדערד שטיין זאַלץ פאַסע איז אַקיומיאַלייטיד אויף די ייבערפלאַך פון די positive ילעקטראָוד (פיגורע 5f). positive ילעקטראָוד האלט אַ לייערד סטרוקטור (Figure 811h), וואָס ינדיקייץ שעדלעך די פאַסע ווערט יפעקטיוולי סאַפּרעסט. אין דערצו, אַ מונדיר CEI שיכטע איז באמערקט אויף די ייבערפלאַך פון F-NMC5 (Figure 811i-g). די רעזולטאַטן ווייַטער באַווייַזן די יונאַפאָרמאַטי פון די CEI שיכטע אויף די positive ילעקטראָוד ייבערפלאַך פון NMC5 אין די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע.

פיגורע 6אַ) TOF-SIMS ספּעקטרום פון די ינטערפאַסע פאַסע אויף די ייבערפלאַך פון די NMC811 positive ילעקטראָוד. (אַק) אין-טיפקייַט אַנאַליסיס פון ספּעציפיש רגע יאָן פראַגמאַנץ אויף די positive ילעקטראָוד פון NMC811. (df) TOF-SIMS כעמישער ספּעקטרום פון די רגע יאָן פראַגמענט נאָך 180 סעקונדעס פון ספּאַטערינג אויף דער אָריגינעל, C-NMC811 און F-NMC811.

C2F-פראַגמאַנץ זענען בכלל גערעכנט ווי אָרגאַניק סאַבסטאַנסיז פון CEI, און LiF2- און PO2-פראַגמאַנץ זענען יוזשאַוואַלי גערעכנט ווי ינאָרגאַניק מינים. באטייטיק ענכאַנסט סיגנאַלז פון LiF2- און PO2- זענען באקומען אין דער עקספּערימענט (פיגורע 6 אַ, ב), וואָס ינדיקייץ אַז די CEI שיכטע פון ​​F-NMC811 כּולל אַ גרויס נומער פון ינאָרגאַניק מינים. אויף די פאַרקערט, די C2F סיגנאַל פון F-NMC811 איז שוואַך ווי די פון C-NMC811 (פיגורע 6c), וואָס מיטל אַז די CEI שיכטע פון ​​​​F-NMC811 כּולל ווייניקער שוואַך אָרגאַניק מינים. ווייַטער פאָרשונג געפונען (פיגורע 6ד-ף) אַז עס זענען מער ינאָרגאַניק מינים אין די CEI פון F-NMC811, בשעת עס זענען ווייניקערע ינאָרגאַניק מינים אין C-NMC811. אַלע די רעזולטאַטן ווייַזן די פאָרמירונג פון אַ האַרט ינאָרגאַניק-רייַך CEI שיכטע אין די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע. אין פאַרגלייַך מיט די NMC811/Gr ווייך-פּאַק באַטאַרייע ניצן אַ טראדיציאנעלן עלעקטראָליטע, די זיכערקייַט פֿאַרבעסערונג פון די ווייך-פּאַק באַטאַרייע ניצן פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע קענען זיין אַטריביאַטאַד צו: ערשטער, די פאָרמירונג אין-סיטו פון אַ CEI שיכטע רייַך אין ינאָרגאַניק ליף איז וווילטויק. די טאָכיק טערמאַל פעסטקייַט פון די דילייטיד NMC811 positive ילעקטראָוד ראַדוסאַז די מעלדונג פון לאַטאַס זויערשטאָף געפֿירט דורך פאַסע יבערגאַנג; צווייטנס, די האַרט ינאָרגאַניק סעי פּראַטעקטיוו שיכטע פּריווענץ די העכסט ריאַקטיוו דעליטהאַטיאָן NMC811 פון קאָנטאַקט די עלעקטראָליטע, רידוסינג די עקסאָטהערמיק זייַט אָפּרוף; דריט, די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע האט הויך טערמאַל פעסטקייַט אין הויך טעמפּעראַטורעס.

מסקנא און אַוטלוק

די אַרבעט האָט געמאלדן די אַנטוויקלונג פון אַ פּראַקטיש גר / נמק 811 טאַש-טיפּ פול באַטאַרייע ניצן אַ פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע, וואָס באטייטיק ימפּרוווד זייַן זיכערקייַט פאָרשטעלונג. ינטרינסיק טערמאַל פעסטקייַט. אַן אין-טיפקייַט לערנען פון די TR ינאַבישאַן מעקאַניזאַם און די קאָראַליישאַן צווישן מאַטעריאַלס און באַטאַרייע לעוועלס. די יידזשינג פּראָצעס טוט נישט ווירקן די טר צינגל טעמפּעראַטור (T2) פון די פּערפלאָראַנייטיד עלעקטראָליטע באַטאַרייע בעשאַס די גאנצע שטורעם, וואָס האט קלאָר ווי דער טאָג אַדוואַנטידזשיז איבער די יידזשינג באַטאַרייע ניצן די טראדיציאנעלן עלעקטראָליטע. אין אַדישאַן, די עקסאָטהערמיק שפּיץ איז קאָנסיסטענט מיט די TR רעזולטאַטן, וואָס ינדיקייץ אַז די שטאַרק CEI איז קאַנדוסיוו צו די טערמאַל פעסטקייַט פון די ליטהיום-פֿרייַ positive ילעקטראָוד און אנדערע באַטאַרייע קאַמפּאָונאַנץ. די רעזולטאטן ווייַזן אַז די אין-סיטו קאָנטראָל פּלאַן פון די סטאַביל CEI שיכטע האט וויכטיק גיידינג באַטייַט פֿאַר די פּראַקטיש אַפּלאַקיישאַן פון סאַפער הויך-ענערגיע ליטהיום באַטעריז.

ליטעראַטור אינפֿאָרמאַציע

אין-געבויט אַלטראַקאָנפאָרמאַל ינטערפאַסעס געבן הויך-זיכערקייַט פּראַקטיש ליטהיום באַטעריז, ענערגיע סטאָרידזש מאַטעריאַלס, 2021.