Wuhan Üniversitesi, yüksek güvenlikli yanmaz elektrolit geliştiriyor
Genel olarak konuşursak, termal kaçağın ana nedeninin, elektrolitin oksidatif ayrışmasına yol açan, yüksek sıcaklığın neden olduğu pozitif ve negatif aktif maddelerin termal ayrışması olduğuna inanıyoruz.Örneğin, Amerika Birleşik Devletleri'nde NASA'nın testi, bir 18650 pilin elektrolitin yanmasını en fazla hesaba katabileceğini gösteriyor. 119-175kJ enerji açığa çıkar, ancak bataryada depolanan elektrik enerjisi gerçekte 50kJ'den daha azdır.Ekstra enerjinin yaklaşık 40kJ'si aktif maddelerin ayrışmasıyla üretilir ve kalan kısmı elektrolitin yakılmasıyla üretilir.
Termal kaçak meydana geldiğinde, elektrolitin lityum iyon pillerin güvenliğini etkileyen önemli bir faktör olduğunu görmek zor değildir.Bu nedenle, insanlar iyonik sıvılar, florlu solvent elektrolitler gibi çeşitli yanıcı olmayan elektrolitler geliştirmeye çalışmışlardır, ancak maliyet ve diğer faktörler nedeniyle. Elektrolit hiçbir zaman yaygın olarak kullanılmamıştır.
Son yıllarda ortaya çıkan tamamen katı elektrolit de bu sorunu çözmenin bir yoludur ancak düşük iyon iletkenliği ve zayıf arayüz teması gibi problemler nedeniyle tamamen katı elektrolitler hala laboratuvar aşamasındadır. Trimetil trifosfat (TMP), trietil fosfat (TEP) vb. Gibi fosfat ester çözücüler daha geniş bir sıcaklık aralığına, iyi Li tuzu çözünürlüğüne, daha düşük viskoziteye ve geniş elektrokimyasal pencereye sahiptir. Bu, fosfat ester çözücüleri yanıcı olmayan elektrolitler için iyi bir seçim haline getirir, ancak fosfat ester çözücülerle ilgili bir sorun vardır - negatif elektrot yüzeyinde kararlı bir SEI filmi oluşturamama, bu da grafit negatif elektrotun delaminasyonuna ve soyulmasına neden olur. Aynı zamanda, grafit negatif elektrotun son derece güçlü yüzeyi nedeniyle Kataliz, fosfat ester elektrolitlerinin uygulanmasında baypas edilemeyen bir bariyer haline gelen fosfat ester çözücülerin sürekli ayrışmasına neden olacaktır.
Bu fosfat ester elektrolit problemini çözmek için Wuhan Üniversitesi'nden Ziqi Zeng (ilk yazar), KeeSung Han (ilgili yazar) ve Ji-Guang Zhang (ilgili yazar), yüksek bir Li / solvent molar oranı (1 : 2) Fosfat ester elektroliti, çünkü elektrolitteki çözücü moleküllerinin çoğu Li + ile bir solvasyon yapısı oluşturur, böylece çözücü moleküllerin ve grafit negatif elektrodun yan reaksiyonunu engeller, böylece lityum iyon pilini büyük ölçüde iyileştirir. Coulomb verimliliği (18650 pilin coulomb verimliliği% 99,7'ye ulaşabilir) ve döngü ömrü.
Yukarıdaki şekil, grafit negatif elektrot yüzeyinde farklı Li / solvent molar oranlarına sahip LiFSI-TEP elektrolitlerinin döngüsel voltametri eğrilerini göstermektedir Test eğrisinden, Li / solvent molar oranı 1: 5 ve 1: 3 olduğunda elektrolit yüzeyde olacaktır. 0.8V negatif elektrot açıkça ayrışır, ancak Li / çözücü mol 1: 2'ye yükseltildiğinde, elektrolitin 0.8V civarında ayrışma akımı tepe noktası kaybolur, bu da Li / çözücü molar oranının artırılmasının fosfat çözücüyü etkili bir şekilde artırabileceğini gösterir. Grafit yüzeyin kararlılığı.
Aşağıdaki şekil 1: 1 ve 1: 2 Li / solvent molar oranlarına sahip Li / grafit yarım hücrelerde LiFSI-TEP elektrolitinin ilk şarj-deşarj verimliliğini göstermektedir. İki elektrolitin ilk tersinir yarı hücrelerinin olduğu görülebilir. Kapasiteler 250mAh / g ve 331mAh / g'dir ve ilk kulombik verimlilik sırasıyla% 77 ve% 74'tür, bu da daha yüksek bir Li / solvent molar oranının, grafit negatif elektrot yüzeyinde solventin ayrışmasını iyi bir şekilde inhibe edebileceğini gösterir. Li / solvent molar oranı şöyledir: 1: 1 elektrolitin daha düşük tersinir kapasitesi, esas olarak elektrolitin daha yüksek viskozitesi ve daha düşük iletkenliği nedeniyledir. Daha kararlı bir SEI filmi oluşturmak için, yazar ayrıca elektrolite az miktarda film oluşturan katkı maddeleri (% 5 FEC ve 0.05 mol / L LiBOB) ekledi ve böylece grafit anot yarı hücresinin ilk verimliliğini% 85'e yükseltti.
Yüksek Li / solvent molar oranına sahip elektrolit ayrıca iyi döngü performansı gösterir Aşağıdaki şekilden, grafit anodun kapasite tutma oranının 1: 2'lik bir Li / solvent molar oranı ile elektrolitte 100 döngüden sonra% 74'e ulaşabileceği görülebilir. FEC ve LiBOB film oluşturucu katkı maddeleri içeren fosfat elektrolitleri daha kararlı döngü performansı göstermiştir. Kapasite tutma oranı 100 döngüden sonra% 91'e ulaşabilir ve kulombik verimlilik döngü sırasında% 99,8'e ulaşabilir. Bu sonuç Neredeyse karbonat elektroliti ile karşılaştırılabilir. Mekanizma çalışmaları, FEC ve LiBOB ile elektrolitte oluşan SEI filminin daha yüksek bir LiF içeriğine (FEC ayrışma ürünü) ve organik oligomer içeriğinde bir artışa (LiBOB ayrışması ile üretilen) sahip olduğunu bulmuştur. Bu yoğun organik-inorganik kompozit SEI filmi TEP ve grafit arasındaki teması daha iyi azaltabilir, böylece fosfat ester çözücünün ayrışmasını azaltabilir ve negatif elektrotun döngü ömrünü ve kulombik verimliliğini artırabilir.
ZiqiZeng, yukarıda bahsedilen yanıcı olmayan elektrolitin dolu bir bataryadaki performansını doğrulamak için, fosfat elektrolitini FEC ve LiBOB film oluşturucu katkı maddeleri ile test etmek için LCO pozitif ve grafit negatif 18650 piller kullandı.Aşağıdaki resim, bataryayı 0.05C'de gösterir. Hızın altında çevrim verilerine göre, dolu bataryanın 50 çevrim sonra kapasite tutma oranının% 90 (karbonat esaslı elektrolit kullanan bataryanın kapasite tutma oranı yaklaşık% 94), şarj ve deşarj kulombik veriminin 99.7'ye ulaştığı şekilden görülebilmektedir. %.
Bu fosfat yanmaz elektrolit ile ticari karbonat bazlı elektrolit arasında döngü performansı açısından hala belirli bir boşluk olmasına rağmen, bu yanmaz elektrolitin kullanımı lityum iyon pillerin güvenlik performansını büyük ölçüde artırır. Akupunktur ve sıkma testlerinde yanmaz elektrolitli 18650 pil tüm testleri geçerken, ticari karbonat elektrolitli pil akupunktur testinde yanmaz elektrolitli pil başta olmak üzere sadece sıkma testini geçmiştir. Ticari karbonat bazlı elektrolit kullanan pil akupunktur testinde alev alırken yapı bozulmadan (aşağıdaki şekilde orta pil) tutuldu ve pilin tamamı yandı (aşağıdaki şekilde alt pil).
Ziqi Zeng, çözücü moleküllerinin çözülme oranını artırmak için yüksek bir Li / çözücü molar oranı kullanır, böylece fosfat ester elektrolitinin grafit negatif elektrot yüzeyindeki stabilitesini büyük ölçüde iyileştirir ve yük ve deşarjın kulombik verimini ve döngü performansını iyileştirir. Fosfat elektrolitleri, karbonat elektrolitleriyle karşılaştırılabilir performansa sahiptir.Aynı zamanda, fosfat elektrolitlerinin yanmazlığı da lityum iyon pillerin güvenlik özelliklerini büyük ölçüde geliştirerek lityum iyon pillerin ekstrüzyon, akupunktur ve Kısa devre testi.
