ESM: عملي اعلي توانائي ليتيم بيٽرين لاءِ پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائٽ جو بلٽ ان الٽرا ڪنفارمل انٽرفيس

تحقيقي پسمنظر

ليٿيم-آئن بيٽرين ۾، 350 Wh ڪلوگرام-1 جو مقصد حاصل ڪرڻ لاءِ، ڪيٿوڊ مواد استعمال ڪري ٿو نڪيل سان ڀريل پرت وارو آڪسائيڊ (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1، جنهن کي NMCxyz سڏيو ويندو آهي). توانائي جي کثافت جي واڌ سان، LIBs جي حرارتي ڀڄڻ سان لاڳاپيل خطرن ماڻهن جو ڌيان ڇڪايو آهي. هڪ مادي نقطه نظر کان، نڪيل امير مثبت اليڪٽرروڊس کي سنجيده حفاظتي مسئلا آهن. ان کان علاوه، بيٽري جي ٻين حصن جي آڪسائيڊشن / ڪراس اسٽالڪ، جهڙوڪ نامياتي مائع ۽ منفي اليڪٽرروڊ، پڻ حرارتي ڀڄڻ کي متحرڪ ڪري سگھن ٿا، جيڪو حفاظتي مسئلن جو مکيه سبب سمجهيو ويندو آهي. هڪ مستحڪم اليڪٽرروڊ-اليڪٽرولائيٽ انٽرفيس جي ان-سيٽيو ڪنٽرولبل ٺهڻ ايندڙ نسل جي اعلي توانائي-کثافت ليتيم-بنياد بيٽرين لاءِ بنيادي حڪمت عملي آهي. خاص طور تي، هڪ مضبوط ۽ گھڻائي ڪيٿوڊ-اليڪٽرولائيٽ انٽرفيس (CEI) اعلي حرارتي استحڪام غير نامياتي اجزاء سان آڪسيجن جي ڇڏڻ کي روڪڻ سان حفاظت جي مسئلي کي حل ڪري سگهي ٿو. ايترو پري، CEI ڪيٿوڊ تبديل ٿيل مواد ۽ بيٽري سطح جي حفاظت تي تحقيق جي کوٽ آهي.

حاصلات جي نمائش

تازو، سنگوا يونيورسٽي جي فينگ زننگ، وانگ لي، ۽ اويانگ منگگاو هڪ تحقيقي مقالو شايع ڪيو جنهن جو عنوان آهي "ان-بلٽ الٽرا ڪانفارمل انٽرفيسس اعلي حفاظتي عملي ليٿيم بيٽريز کي فعال ڪرڻ" توانائي اسٽوريج مواد تي. ليکڪ عملي NMC811/Gr نرم ڀريل مڪمل بيٽري جي حفاظت جي ڪارڪردگي ۽ لاڳاپيل CEI مثبت اليڪٽرروڊ جي حرارتي استحڪام جو جائزو ورتو. مواد ۽ نرم پيڪ بيٽري جي وچ ۾ حرارتي ڀڄڻ جي دٻاء واري ميڪانيزم کي جامع طور تي اڀياس ڪيو ويو آهي. هڪ غير ٻرندڙ perfluorinated electrolyte استعمال ڪندي، هڪ NMC811 / Gr پائوچ قسم جي مڪمل بيٽري تيار ڪئي وئي. NMC811 جي حرارتي استحڪام کي غير نامياتي LiF ۾ مالا مال CEI حفاظتي پرت اندر-سيٽو ٺاهي وئي. LiF جو CEI مؤثر طريقي سان آڪسيجن جي ڇڏڻ کي گھٽائي سگھي ٿو مرحلي جي تبديلي جي ڪري ۽ خوش نصيب NMC811 ۽ فلورين ٿيل اليڪٽرولائٽ جي وچ ۾ خارجي ردعمل کي روڪيو.

گرافڪ گائيڊ

شڪل 1 عملي NMC811/Gr پائوچ-قسم جي مڪمل بيٽري جي حرارتي ڀڄڻ واري خاصيتن جو مقابلو پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائيٽ ۽ روايتي اليڪٽرولائيٽ استعمال ڪندي. روايتي (a) EC/EMC ۽ (b) perfluorinated FEC/FEMC/HFE اليڪٽرولائيٽ پائوچ قسم جي مڪمل بيٽرين جي هڪ چڪر کان پوءِ. (c) روايتي EC/EMC electrolysis ۽ (d) perfluorinated FEC/FEMC/HFE اليڪٽرولائيٽ پائوچ-قسم جي مڪمل بيٽري 100 سائيڪلن کان پوءِ.

NMC811/Gr جي بيٽري لاءِ روايتي اليڪٽرولائٽ سان گڏ ھڪڙي چڪر کان پوءِ (شڪل 1a)، T2 202.5 ° C تي آھي. T2 ٿيندي آهي جڏهن اوپن-سرڪٽ وولٹیج ڦوٽو. بهرحال، بيٽري جو T2 perfluorinated electrolyte استعمال ڪندي 220.2 ° C (شڪل 1b) تائين پهچي ٿو، جنهن مان ظاهر ٿئي ٿو ته پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائٽ بيٽري جي موروثي حرارتي حفاظت کي بهتر ڪري سگهي ٿو هڪ خاص حد تائين ان جي اعلي حرارتي استحڪام جي ڪري. جيئن بيٽري جي عمر ٿيندي آهي، روايتي اليڪٽرولائيٽ بيٽري جو T2 قدر 195.2 °C (Figure 1c) تائين گھٽجي ويندو آهي. جڏهن ته، عمر جي عمل کي بيٽري جي T2 تي اثر انداز نٿو ڪري پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائٽس استعمال ڪندي (شڪل 1d). ان کان علاوه، TR دوران روايتي اليڪٽرولائٽ استعمال ڪندي بيٽري جي وڌ ۾ وڌ dT/dt قدر 113°C s-1 جيتري آهي، جڏهن ته perfluorinated electrolyte استعمال ڪندي بيٽري صرف 32°C s-1 آهي. عمر جي بيٽرين جي T2 ۾ فرق خوش نصيب NMC811 جي موروثي حرارتي استحڪام سان منسوب ٿي سگھي ٿو، جيڪو روايتي اليڪٽرولائٽس جي تحت گھٽجي ٿو، پر مؤثر طور تي پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائٽس تحت برقرار رکي سگھجي ٿو.

شڪل 2 حرارتي استحڪام جي ڊيليٽيشن NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ ۽ NMC811/Gr بيٽري جو مرکب. (A,b) C-NMC811 ۽ F-NMC811 synchrotron high-energy XRD جا ڪنٽور نقشا ۽ لاڳاپيل (003) تفاوت جي چوٽي تبديليون. (c) C-NMC811 ۽ F-NMC811 جي مثبت اليڪٽرروڊ جي گرمي ۽ آڪسيجن ڇڏڻ واري رويي. (d) ڊي ايس سي وکر جو نمونو مرکب جي خوشخبري مثبت اليڪٽرروڊ، لائيٽ ٿيل منفي اليڪٽرروڊ، ۽ اليڪٽرولائٽ.

انگ اکر 2a ۽ b ڏيکارين ٿا HEXRD وکر delighted NMC81 جي مختلف CEI تہن سان گڏ روايتي اليڪٽرولائٽس جي موجودگي ۾ ۽ ڪمري جي حرارت کان وٺي 600 ° C تائين جي عرصي دوران. نتيجو واضح طور تي ڏيکاري ٿو ته هڪ اليڪٽرولائٽ جي موجودگي ۾، هڪ مضبوط سي اي آئي پرت ليتيم جمع ٿيل ڪيٿوڊ جي حرارتي استحڪام لاء سازگار آهي. جيئن ته شڪل 2c ۾ ڏيکاريل آهي، هڪ واحد F-NMC811 233.8 ° C تي هڪ سست خارجي چوٽي ڏيکاري ٿي، جڏهن ته C-NMC811 exothermic چوٽي 227.3 ° C تي ظاهر ٿيو. ان کان علاوه، C-NMC811 جي مرحلي جي منتقلي سبب آڪسيجن ڇڏڻ جي شدت ۽ شرح F-NMC811 جي ڀيٽ ۾ وڌيڪ سخت آهي، وڌيڪ تصديق ڪري ٿي ته مضبوط CEI F-NMC811 جي موروثي حرارتي استحڪام کي بهتر بڻائي ٿو. شڪل 2d ڊي ايس سي ٽيسٽ انجام ڏئي ٿو خوشيءَ واري NMC811 ۽ ٻين لاڳاپيل بيٽري حصن جي ميلاپ تي. روايتي اليڪٽرولائٽس لاءِ، 1 ۽ 100 سائيڪلن سان نموني جي exothermic چوٽي ظاهر ڪن ٿا ته روايتي انٽرفيس جي عمر حرارتي استحڪام کي گھٽائي ويندي. ان جي ابتڙ، perfluorinated electrolyte لاءِ، 1 ۽ 100 سائيڪلن کان پوءِ عڪس ڏيکارين ٿا وسيع ۽ ٿلهي exothermic چوٽيون، TR ٽرگر جي درجه حرارت (T2) جي مطابق. نتيجا (شڪل 1) هڪجهڙائي وارا آهن، ظاهر ڪن ٿا ته مضبوط CEI مؤثر طريقي سان بهتر ڪري سگهي ٿو حرارتي استحڪام جي عمر ۽ خوش نصيب NMC811 ۽ ٻين بيٽري اجزاء.

شڪل 3 پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائيٽ ۾ خوش ٿيل NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ جي خاصيت. (ab) عمر جي F-NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ ۽ لاڳاپيل EDS ميپنگ جون ڪراس-سيڪشنل SEM تصويرون. (ch) عنصر جي ورڇ. (ij) ورچوئل xy تي عمر جي F-NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ جي ڪراس-سيڪشنل SEM تصوير. (ڪلوميٽر) 3D FIB-SEM ساخت جي بحالي ۽ F عناصر جي مقامي ورڇ.

fluorinated CEI جي ڪنٽرولبل ٺهڻ جي تصديق ڪرڻ لاء، ڪراس-سيڪشنل مورفولوجي ۽ عنصر جي ورڇ واري عمر جي NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ حقيقي نرم-پيڪ بيٽري ۾ هٿ ڪيو ويو FIB-SEM (Figure 3 ah). perfluorinated electrolyte ۾، هڪ يونيفارم fluorinated CEI پرت F-NMC811 جي مٿاڇري تي ٺهيل آهي. ان جي برعڪس، C-NMC811 روايتي اليڪٽرولائيٽ ۾ F جي کوٽ آهي ۽ هڪ اڻ برابري CEI پرت ٺاهي ٿي. F-NMC811 (Figure 3h) جي ڪراس-سيڪشن تي F عنصر جو مواد C-NMC811 کان وڌيڪ آهي، جيڪو وڌيڪ ثابت ڪري ٿو ته غير نامياتي فلورنيٽڊ ميسوفيس جي ان-سيٽيو ٺهڻ خوشيءَ واري NMC811 جي استحڪام کي برقرار رکڻ جي ڪنجي آهي. . FIB-SEM ۽ EDS ميپنگ جي مدد سان، جيئن تصوير 3m ۾ ڏيکاريل آهي، هن F-NMC3 جي مٿاڇري تي 811D ماڊل ۾ ڪيترن ئي ايف عناصر کي ڏٺو.

شڪل 4a) عنصر جي کوٽائي ورهائڻ جي مٿاڇري تي اصل ۽ خوش آمديد NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ. (ac) FIB-TOF-SIMS NMC811 جي مثبت اليڪٽرروڊ ۾ F، O، ۽ Li عناصر جي ورڇ کي ڦٽو ڪري رهيو آهي. (df) NMC811 جي F، O، ۽ Li عنصرن جي مٿاڇري جي شڪل ۽ کوٽائي جي ورڇ.

FIB-TOF-SEM وڌيڪ پڌرو ڪيو عناصر جي کوٽائي جي ورڇ NMC811 جي مثبت اليڪٽرروڊ جي مٿاڇري تي (شڪل 4). اصل ۽ C-NMC811 نموني جي مقابلي ۾، F سگنل ۾ هڪ اهم واڌارو F-NMC811 (شڪل 4a) جي مٿين مٿاڇري واري پرت ۾ مليو. ان کان علاوه، مٿاڇري تي ڪمزور O ۽ اعلي لي سگنل ظاهر ڪن ٿا F- ۽ Li-rich CEI تہن جي ٺهڻ (شڪل 4b، c). انهن نتيجن سڀني تصديق ڪئي ته F-NMC811 وٽ هڪ LiF-rich CEI پرت آهي. C-NMC811 جي CEI جي مقابلي ۾، F-NMC811 جي CEI پرت ۾ وڌيڪ F ۽ Li عناصر شامل آهن. ان کان علاوه، جيئن FIGS ۾ ڏيکاريل آهي. 4d-f، آئن ايچنگ جي کوٽائي جي نقطي نظر کان، اصل NMC811 جي جوڙجڪ خوش نصيب NMC811 کان وڌيڪ مضبوط آهي. پراڻي F-NMC811 جي ايچ ڊيپٿ C-NMC811 کان ننڍي آهي، جنهن جو مطلب آهي ته F-NMC811 ۾ بهترين ساخت جي استحڪام آهي.

شڪل 5 CEI ڪيميائي ساخت NMC811 جي مثبت اليڪٽرروڊ جي مٿاڇري تي. (a) XPS اسپيڪٽرم جو NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ CEI. (bc) XPS C1s ۽ F1s اسپيڪٽرا جو اصل ۽ خوش نصيب NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ CEI. (d) Cryo-transmission electron microscope: عنصر جي تقسيم F-NMC811. (e) F-NMC81 تي ٺهيل CEI جي منجمد TEM تصوير. (fg) STEM-HAADF ۽ STEM-ABF تصويرون C-NMC811 جون. (hi) F-NMC811 جون STEM-HAADF ۽ STEM-ABF تصويرون.

انهن NMC811 (شڪل 5) ۾ CEI جي ڪيميائي ساخت کي خاص ڪرڻ لاءِ XPS استعمال ڪيو. اصل C-NMC811 جي برعڪس، F-NMC811 جي CEI ۾ وڏو F ۽ Li آهي پر معمولي C (Figure 5a). سي نسلن جي گھٽتائي مان ظاهر ٿئي ٿو ته LiF-rich CEI F-NMC811 جي حفاظت ڪري سگهي ٿو اليڪٽرولائٽس (شڪل 5b) سان مسلسل طرفي رد عمل کي گهٽائڻ سان. ان کان علاوه، CO ۽ C=O جي ننڍي مقدار مان ظاهر ٿئي ٿو ته F-NMC811 جو سولوولوز محدود آهي. XPS جي F1s اسپيڪٽرم (Figure 5c) ۾، F-NMC811 هڪ طاقتور LiF سگنل ڏيکاريو، ان ڳالهه جي تصديق ڪري ٿي ته CEI فلورين ٿيل سالوينٽس مان نڪتل LiF جي وڏي مقدار تي مشتمل آهي. F-NMC811 ذرات تي مقامي علائقي ۾ F، O، Ni، Co، ۽ Mn عناصر جي نقشي مان ظاهر ٿئي ٿو ته تفصيل هڪجهڙائي سان مڪمل طور تي ورهايل آهن (شڪل 5d). تصوير 5e ۾ گھٽ درجه حرارت TEM تصوير ڏيکاري ٿي ته CEI NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ کي يونيفارم ڍڪڻ لاءِ حفاظتي پرت طور ڪم ڪري سگھي ٿو. انٽرفيس جي ڍانچي جي ارتقا جي وڌيڪ تصديق ڪرڻ لاءِ، هاءِ اينگل سرڪلر ڊارڪ فيلڊ اسڪيننگ ٽرانسميشن اليڪٽران مائيڪرو اسڪوپي (HAADF-STEM ۽ سرڪلر برائيٽ فيلڊ اسڪيننگ ٽرانسميشن اليڪٽران مائڪرو اسڪوپي (ABF-STEM) تجربا ڪيا ويا ڪاربونيٽ اليڪٽرولائيٽ (سي. -NMC811)، گردش ڪندڙ مثبت اليڪٽرروڊ جي مٿاڇري ۾ سخت مرحلي جي تبديلي اچي وئي آهي، ۽ مثبت اليڪٽرروڊ (شڪل 5f) جي مٿاڇري تي هڪ خراب پٿر جي لوڻ وارو مرحلو جمع ٿي ويو آهي. پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائٽ لاءِ، F-NMC811 جي مٿاڇري مثبت اليڪٽرروڊ هڪ پرت واري ڍانچي کي برقرار رکي ٿو (شڪل 5h)، اشارو ڪري ٿو ته نقصانڪار مرحلي کي مؤثر طور تي دٻايو وڃي ٿو. ان کان علاوه، هڪ يونيفارم CEI پرت F-NMC811 (Figure 5i-g) جي مٿاڇري تي ڏٺو ويو آهي. اهي نتيجا وڌيڪ ثابت ڪن ٿا جي يونيفارميت CEI پرت NMC811 جي مثبت electrode مٿاڇري تي perfluorinated electrolyte ۾.

شڪل 6a) NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ جي مٿاڇري تي مداخلت واري مرحلي جو TOF-SIMS اسپيڪٽرم. (ac) NMC811 جي مثبت اليڪٽرروڊ تي مخصوص سيڪنڊ آئن ٽڪرن جي کوٽائي جو تجزيو. (df) TOF-SIMS ڪيميائي اسپيڪٽرم جو ٻيو آئن فريگمينٽ 180 سيڪنڊن کان پوءِ اصل، C-NMC811 ۽ F-NMC811 تي ڦاٽڻ کان پوءِ.

C2F-ٽڪڙا عام طور تي CEI جا نامياتي مادو سمجهيا وڃن ٿا، ۽ LiF2- ۽ PO2-ٽڪرا عام طور تي غير نامياتي نسلن جي طور تي سمجهيا وڃن ٿا. تجربا ۾ LiF2- ۽ PO2- جا خاص طور تي وڌيل سگنل حاصل ڪيا ويا (شڪل 6a، b)، اهو ظاهر ڪري ٿو ته F-NMC811 جي CEI پرت ۾ غير نامياتي نسلن جو وڏو تعداد شامل آهي. ان جي برعڪس، F-NMC2 جو C811F-سگنل C-NMC811 (شڪل 6c) جي ڀيٽ ۾ ڪمزور آهي، جنهن جو مطلب آهي ته F-NMC811 جي CEI پرت ۾ گهٽ نازڪ نامياتي جنس شامل آهن. وڌيڪ تحقيق مان معلوم ٿيو (شڪل 6d-f) ته F-NMC811 جي CEI ۾ وڌيڪ غير نامياتي جنسون آهن، جڏهن ته C-NMC811 ۾ گهٽ غير نامياتي جنسون آهن. اهي سڀئي نتيجا ڏيکارين ٿا هڪ مضبوط غير نامياتي امير CEI پرت جي ٺهڻ کي perfluorinated electrolyte ۾. روايتي اليڪٽرولائٽ استعمال ڪندي NMC811/Gr نرم-پيڪ بيٽري جي مقابلي ۾، پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائٽ استعمال ڪندي نرم-پيڪ بيٽري جي حفاظت جي بهتري کي منسوب ڪري سگهجي ٿو: پهريون، غير نامياتي LiF ۾ مالا مال هڪ CEI پرت جي اندروني ٺهڻ فائدي وارو آهي. خوش نصيب NMC811 مثبت اليڪٽرروڊ جي موروثي حرارتي استحڪام مرحلي جي منتقلي جي ڪري لڪي آڪسيجن جي ڇڏڻ کي گھٽائي ٿي؛ ٻيو، مضبوط غير نامياتي CEI حفاظتي پرت وڌيڪ رد عمل واري ڊيليٽيشن NMC811 کي اليڪٽرولائٽ سان رابطو ڪرڻ کان روڪي ٿي، خارجي پاسي واري رد عمل کي گھٽائي ٿي. ٽيون، perfluorinated electrolyte اعلي گرمي پد تي اعلي حرارتي استحڪام آهي.

نتيجو ۽ Outlook

اهو ڪم هڪ عملي Gr/NMC811 پائوچ-قسم جي مڪمل بيٽري جي ترقي جي رپورٽ ڪئي جيڪا هڪ پرفلوورينٽ ٿيل اليڪٽرولائيٽ استعمال ڪندي، جيڪا خاص طور تي ان جي حفاظت جي ڪارڪردگي کي بهتر بڻائي ٿي. اندروني حرارتي استحڪام. TR منع ڪرڻ واري ميڪانيزم جو هڪ گهرو مطالعو ۽ مواد ۽ بيٽري جي سطحن جي وچ ۾ لاڳاپو. عمر جي عمل سڄي طوفان دوران perfluorinated electrolyte بيٽري جي TR ٽرگر جي درجه حرارت (T2) تي اثر انداز نه ڪندو آهي، جنهن ۾ روايتي اليڪٽرولائٽ استعمال ڪندي عمر جي بيٽري تي واضح فائدا آهن. ان کان علاوه، exothermic چوٽي TR نتيجن سان مطابقت رکي ٿي، اهو ظاهر ڪري ٿو ته مضبوط CEI ليتيم آزاد مثبت اليڪٽرروڊ ۽ ٻين بيٽري اجزاء جي حرارتي استحڪام لاءِ سازگار آهي. انهن نتيجن مان ظاهر ٿئي ٿو ته مستحڪم CEI پرت جي اندروني ڪنٽرول ڊيزائن کي محفوظ اعلي توانائي ليتيم بيٽرين جي عملي ايپليڪيشن لاء اهم رهنمائي اهميت حاصل آهي.

ادبي معلومات

ان-بلٽ الٽرا ڪانفارمل انٽرفيسس اعلي حفاظت واري عملي ليتيم بيٽرين کي فعال ڪن ٿا، توانائي اسٽوريج مواد، 2021.