By hoppt
Katika betri za lithiamu-ioni, kufikia lengo la 350 Wh Kg-1, nyenzo za cathode hutumia oksidi ya tabaka yenye nikeli (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, inayoitwa NMCxyz). Kwa kuongezeka kwa msongamano wa nishati, hatari zinazohusiana na kukimbia kwa mafuta ya LIB zimevutia umakini wa watu. Kwa mtazamo wa nyenzo, elektroni chanya zenye nikeli nyingi zina masuala makubwa ya usalama. Zaidi ya hayo, uoksidishaji/mazungumzo ya vijenzi vingine vya betri, kama vile vimiminiko vya kikaboni na elektrodi hasi, vinaweza pia kusababisha utoroshaji wa joto, ambao unachukuliwa kuwa sababu kuu ya matatizo ya usalama. Uundaji unaoweza kudhibitiwa wa in-situ wa kiolesura thabiti cha elektrodi-elektroliti ndio mkakati msingi wa kizazi kijacho cha betri za lithiamu zenye msongamano wa juu wa nishati. Hasa, interphase imara na mnene ya cathode-electrolyte (CEI) yenye vipengele vya isokaboni vya utulivu wa juu wa mafuta inaweza kutatua tatizo la usalama kwa kuzuia kutolewa kwa oksijeni. Kufikia sasa, kuna ukosefu wa utafiti juu ya vifaa vilivyobadilishwa vya cathode ya CEI na usalama wa kiwango cha betri.
Hivi majuzi, Feng Xuning, Wang Li, na Ouyang Minggao wa Chuo Kikuu cha Tsinghua walichapisha karatasi ya utafiti yenye kichwa "In-Built Ultraconformal Interphases Wezesha Betri za Lithiamu Zinazotumika kwa Usalama wa Hali ya Juu" kwenye Nyenzo za Kuhifadhi Nishati. Mwandishi alitathmini utendaji wa usalama wa betri kamili iliyojaa laini ya NMC811/Gr na uthabiti wa joto wa elektrodi chanya ya CEI inayolingana. Utaratibu wa kukandamiza utoroshaji wa mafuta kati ya nyenzo na betri ya pakiti laini umesomwa kwa kina. Kwa kutumia elektroliti yenye florini isiyoweza kuwaka, betri kamili ya aina ya pochi ya NMC811/Gr ilitayarishwa. Uthabiti wa joto wa NMC811 uliboreshwa na safu ya kinga ya in-situ iliyounda CEI iliyojaa LiF isokaboni. CEI ya LiF inaweza kupunguza kwa ufanisi utoaji wa oksijeni unaosababishwa na mabadiliko ya awamu na kuzuia athari ya joto kati ya NMC811 inayofurahishwa na elektroliti ya florini.
Mchoro 1 Ulinganisho wa sifa za kukimbia kwa joto za betri kamili ya aina ya NMC811/Gr kwa kutumia elektroliti iliyotiwa florini na elektroliti ya kawaida. Baada ya mzunguko mmoja wa betri za kawaida za (a) EC/EMC na (b) zenye florini ya FEC/FEMC/HFE ya aina ya betri ya elektroliti. (c) Uchanganuzi wa kielektroniki wa EC/EMC na (d) betri ya aina ya FEC/FEMC/HFE iliyotiwa mafuta ya elektroliti yenye pochi iliyozeeka baada ya mizunguko 100.
Kwa betri ya NMC811/Gr yenye elektroliti ya kitamaduni baada ya mzunguko mmoja (Mchoro 1a), T2 iko 202.5°C. T2 hutokea wakati voltage ya mzunguko wa wazi inapungua. Hata hivyo, T2 ya betri kwa kutumia electrolyte perfluorinated kufikia 220.2 ° C (Mchoro 1b), ambayo inaonyesha kwamba electrolyte perfluorinated inaweza kuboresha asili ya usalama wa mafuta ya betri kwa kiasi fulani kutokana na utulivu wake wa juu wa joto. Kadiri betri inavyozeeka, thamani ya T2 ya betri ya jadi ya elektroliti hushuka hadi 195.2 °C (Mchoro 1c). Hata hivyo, mchakato wa kuzeeka hauathiri T2 ya betri kwa kutumia electrolytes perfluorinated (Mchoro 1d). Zaidi ya hayo, thamani ya juu ya dT/dt ya betri inayotumia elektroliti ya kitamaduni wakati wa TR ni ya juu hadi 113°C s-1, huku betri inayotumia elektroliti iliyotiwa florini ni 32°C s-1 pekee. Tofauti katika T2 ya betri za kuzeeka inaweza kuhusishwa na uthabiti wa asili wa joto wa NMC811 iliyofurahishwa, ambayo hupunguzwa chini ya elektroliti za kawaida, lakini inaweza kudumishwa kwa ufanisi chini ya elektroliti zilizo na florini.
Mchoro wa 2 Uthabiti wa joto wa delithiation ya NMC811 elektrodi chanya na mchanganyiko wa betri ya NMC811/Gr. (A,b) Ramani za contour za C-NMC811 na F-NMC811 synchrotron ya nishati ya juu ya XRD na mabadiliko yanayolingana (003) ya kilele cha mtengano. (c) Tabia ya kutoa joto na oksijeni ya elektrodi chanya ya C-NMC811 na F-NMC811. (d) Mviringo wa DSC wa sampuli ya mchanganyiko wa elektrodi chanya iliyofurahishwa, elektrodi hasi ya lithiati, na elektroliti.
Kielelezo 2a na b kinaonyesha mikondo ya HEXRD ya NMC81 iliyofurahishwa na tabaka tofauti za CEI kukiwa na elektroliti za kawaida na katika kipindi cha kuanzia joto la kawaida hadi 600°C. Matokeo yanaonyesha wazi kwamba mbele ya elektroliti, safu yenye nguvu ya CEI inafaa kwa utulivu wa joto wa cathode iliyowekwa na lithiamu. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2c, F-NMC811 moja ilionyesha kilele cha polepole zaidi cha joto katika 233.8°C, wakati kilele cha C-NMC811 cha joto kali kilionekana kuwa 227.3°C. Kwa kuongezea, ukubwa na kasi ya utoaji wa oksijeni unaosababishwa na mpito wa awamu ya C-NMC811 ni mbaya zaidi kuliko ule wa F-NMC811, hivyo basi kuthibitisha kuwa CEI thabiti huboresha uthabiti wa asili wa F-NMC811. Kielelezo 2d hufanya jaribio la DSC kwenye mchanganyiko wa NMC811 iliyofurahishwa na viambajengo vingine vinavyolingana vya betri. Kwa elektroliti za kawaida, kilele cha exothermic cha sampuli na mzunguko wa 1 na 100 zinaonyesha kuwa kuzeeka kwa interface ya jadi itapunguza utulivu wa joto. Kinyume chake, kwa elektroliti iliyotiwa florini, vielelezo baada ya mzunguko wa 1 na 100 vinaonyesha kilele cha joto kali na pana, kulingana na joto la trigger ya TR ( T2). Matokeo (Mchoro 1) ni thabiti, yakionyesha kuwa CEI dhabiti inaweza kuboresha uthabiti wa joto wa NMC811 iliyozeeka na kufurahishwa na vipengee vingine vya betri.
Mchoro wa 3 Tabia ya elektrodi chanya ya NMC811 iliyofurahishwa katika elektroliti iliyotiwa florini. (ab) Picha za SEM za sehemu mbalimbali za elektrodi chanya ya F-NMC811 na ramani inayolingana ya EDS. (ch) Usambazaji wa kipengele. (ij) Picha ya SEM ya sehemu mbalimbali ya elektrodi chanya ya F-NMC811 iliyozeeka kwenye xy pepe. (km) Kujenga upya muundo wa 3D FIB-SEM na usambazaji wa anga wa vipengele vya F.
Ili kuthibitisha uundaji unaoweza kudhibitiwa wa CEI yenye florini, mofolojia ya sehemu nzima na usambazaji wa kipengele cha elektrodi chanya ya NMC811 iliyopatikana katika betri ya pakiti laini ilionyeshwa na FIB-SEM (Kielelezo 3 ah). Katika elektroliti ya perfluorinated, safu ya sare ya fluorinated CEI huundwa kwenye uso wa F-NMC811. Kinyume chake, C-NMC811 katika elektroliti ya kawaida haina F na huunda safu ya CEI isiyo sawa. Maudhui ya kipengele cha F kwenye sehemu nzima ya F-NMC811 (Kielelezo 3h) ni ya juu zaidi kuliko ile ya C-NMC811, ambayo inathibitisha zaidi kwamba uundaji wa in-situ wa mesophase isokaboni yenye florini ndio ufunguo wa kudumisha uthabiti wa NMC811 yenye furaha. . Kwa usaidizi wa uchoraji wa ramani wa FIB-SEM na EDS, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3m, iliona vipengele vingi vya F katika modeli ya 3D kwenye uso wa F-NMC811.
Mchoro 4a) Usambazaji wa kina wa kipengele kwenye uso wa elektrodi chanya ya NMC811 ya asili na ya kufurahisha. (ac) FIB-TOF-SIMS inatawanya usambazaji wa vipengele vya F, O, na Li katika elektrodi chanya ya NMC811. (df) Mofolojia ya uso na usambazaji wa kina wa vipengele vya F, O, na Li vya NMC811.
FIB-TOF-SEM ilifunua zaidi usambazaji wa kina wa vipengele kwenye uso wa electrode chanya ya NMC811 (Mchoro 4). Ikilinganishwa na sampuli za awali na C-NMC811, ongezeko kubwa la mawimbi ya F lilipatikana kwenye safu ya juu ya uso ya F-NMC811 (Mchoro 4a). Kwa kuongeza, ishara za O dhaifu na za juu za Li juu ya uso zinaonyesha kuundwa kwa tabaka za F- na Li-tajiri za CEI (Mchoro 4b, c). Matokeo haya yote yalithibitisha kuwa F-NMC811 ina safu ya CEI yenye utajiri wa LiF. Ikilinganishwa na CEI ya C-NMC811, safu ya CEI ya F-NMC811 ina vipengele zaidi vya F na Li. Kwa kuongeza, kama inavyoonyeshwa kwenye FIG. 4d-f, kutoka kwa mtazamo wa kina cha ioni, muundo wa NMC811 asili ni thabiti zaidi kuliko ule wa NMC811 iliyofurahishwa. Kiwango cha kina cha F-NMC811 ni kidogo kuliko C-NMC811, ambayo ina maana kwamba F-NMC811 ina uthabiti bora wa muundo.
Mchoro wa 5 utungaji wa kemikali wa CEI kwenye uso wa elektrodi chanya ya NMC811. (a) Wigo wa XPS wa NMC811 elektrodi chanya CEI. (bc) XPS C1s na F1s spectra ya awali na kufurahisha NMC811 elektrodi CEI. (d) Hadubini ya elektroni ya Cryo-transmission: usambazaji wa kipengele cha F-NMC811. (e) Picha ya TEM iliyogandishwa ya CEI iliyoundwa kwenye F-NMC81. (fg) Picha za STEM-HAADF na STEM-ABF za C-NMC811. (hi) Picha za STEM-HAADF na STEM-ABF za F-NMC811.
Walitumia XPS kubainisha muundo wa kemikali wa CEI katika NMC811 (Mchoro 5). Tofauti na C-NMC811 asili, CEI ya F-NMC811 ina F na Li kubwa lakini C ndogo (Mchoro 5a). Kupunguzwa kwa spishi za C kunaonyesha kuwa CEI yenye utajiri wa LiF inaweza kulinda F-NMC811 kwa kupunguza athari za upande kwa kutumia elektroliti (Mchoro 5b). Kwa kuongeza, kiasi kidogo cha CO na C=O kinaonyesha kuwa utatuzi wa F-NMC811 ni mdogo. Katika wigo wa F1s wa XPS (Kielelezo 5c), F-NMC811 ilionyesha ishara ya nguvu ya LiF, ikithibitisha kuwa CEI ina kiasi kikubwa cha LiF inayotokana na vimumunyisho vya fluorinated. Uchoraji wa vipengele vya F, O, Ni, Co, na Mn katika eneo la karibu kwenye chembe za F-NMC811 huonyesha kwamba maelezo yanasambazwa kwa usawa kwa ujumla (Mchoro 5d). Picha ya TEM ya halijoto ya chini katika Mchoro 5e inaonyesha kuwa CEI inaweza kufanya kazi kama safu ya ulinzi ili kufunika kwa usawa elektrodi chanya ya NMC811. Ili kuthibitisha zaidi mabadiliko ya kimuundo ya kiolesura, majaribio ya hadubini ya elektroni ya kuchanganua yenye umbo la giza yenye pembe ya juu (HAADF-STEM na hadubini ya uga nyangavu ya uambukizaji wa kielektroniki (ABF-STEM)) yalifanywa. -NMC811), Uso wa electrode chanya inayozunguka umepata mabadiliko makubwa ya awamu, na awamu ya chumvi ya mwamba iliyoharibika imekusanywa kwenye uso wa electrode chanya (Mchoro 5f) Kwa electrolyte perfluorinated, uso wa F-NMC811 elektrodi chanya hudumisha muundo wa tabaka (Mchoro wa 5), ikionyesha madhara Awamu inakuwa imekandamizwa kwa ufanisi.Aidha, safu ya CEI ilionekana kwenye uso wa F-NMC811 (Mchoro 5i-g) Matokeo haya yanathibitisha zaidi usawa wa Safu ya CEI kwenye uso wa elektrodi chanya wa NMC811 katika elektroliti iliyotiwa florini.
Kielelezo 6a) Wigo wa TOF-SIMS wa awamu ya kati ya awamu kwenye uso wa elektrodi chanya ya NMC811. (ac) Uchambuzi wa kina wa vipande maalum vya ioni ya pili kwenye elektrodi chanya ya NMC811. (df) Wigo wa kemikali wa TOF-SIMS wa kipande cha pili cha ayoni baada ya sekunde 180 za kutapika kwenye sehemu asilia, C-NMC811 na F-NMC811.
Vipande vya C2F kwa ujumla huchukuliwa kuwa vitu vya kikaboni vya CEI, na vipande vya LiF2- na PO2 kwa kawaida huchukuliwa kuwa spishi zisizo hai. Ishara zilizoimarishwa kwa kiasi kikubwa za LiF2- na PO2- zilipatikana katika jaribio (Mchoro 6a, b), ikionyesha kuwa safu ya CEI ya F-NMC811 ina idadi kubwa ya spishi zisizo hai. Kinyume chake, ishara ya C2F ya F-NMC811 ni dhaifu kuliko ile ya C-NMC811 (Mchoro 6c), ambayo ina maana kwamba safu ya CEI ya F-NMC811 ina spishi za kikaboni zisizo dhaifu. Utafiti zaidi uligundua (Mchoro 6d-f) kwamba kuna spishi nyingi zaidi za isokaboni katika CEI ya F-NMC811, ilhali kuna spishi chache za isokaboni katika C-NMC811. Matokeo haya yote yanaonyesha uundaji wa safu dhabiti yenye utajiri wa isokaboni ya CEI katika elektroliti iliyotiwa florini. Ikilinganishwa na betri ya pakiti laini ya NMC811/Gr inayotumia elektroliti ya kitamaduni, uboreshaji wa usalama wa betri ya pakiti laini kwa kutumia elektroliti iliyotiwa florini unaweza kuhusishwa na: Kwanza, uundaji wa in-situ wa safu ya CEI iliyojaa LiF isokaboni ni ya manufaa. Utulivu wa asili wa joto wa elektrodi chanya ya NMC811 iliyofurahishwa hupunguza kutolewa kwa oksijeni ya kimiani inayosababishwa na mpito wa awamu; pili, safu dhabiti ya kinga ya isokaboni ya CEI huzuia zaidi upotoshaji tendaji sana wa NMC811 kuwasiliana na elektroliti, na kupunguza athari ya upande wa exothermic; Tatu, Electroliti iliyo na floraidi ina uthabiti wa juu wa mafuta kwenye joto la juu.
Kazi hii iliripoti uundaji wa betri kamili ya aina ya Gr/NMC811 ya pochi kwa kutumia elektroliti iliyotiwa florini, ambayo iliboresha kwa kiasi kikubwa utendakazi wake wa usalama. Utulivu wa ndani wa joto. Utafiti wa kina wa utaratibu wa kuzuia TR na uwiano kati ya nyenzo na viwango vya betri. Mchakato wa kuzeeka hauathiri joto la trigger ya TR (T2) ya betri ya elektroliti iliyotiwa mafuta wakati wa dhoruba nzima, ambayo ina faida dhahiri juu ya betri ya kuzeeka kwa kutumia elektroliti ya jadi. Kwa kuongeza, kilele cha exothermic kinalingana na matokeo ya TR, yanaonyesha kuwa CEI yenye nguvu inafaa kwa utulivu wa joto wa electrode chanya isiyo na lithiamu na vipengele vingine vya betri. Matokeo haya yanaonyesha kuwa muundo wa udhibiti wa in-situ wa safu thabiti ya CEI una umuhimu muhimu elekezi kwa utumizi wa vitendo wa betri za lithiamu zenye nishati nyingi.
Muingiliano Uliojengwa Ndani usio Rasmi Washa Betri za Lithiamu za Usalama wa Hali ya Juu, Nyenzo za Hifadhi ya Nishati, 2021.
jibu ndani ya masaa 6, maswali yoyote yanakaribishwa!
