ESM: Ku dhex-dhismay is-dhexgal ultra-conformal ah oo elektrolyte ah oo dareere ah oo loogu talagalay baytariyada lithium tamar sare leh oo la taaban karo

Asalka Cilmi-baarista

Batariyada lithium-ion, si loo gaaro yoolka 350 Wh Kg-1, maadada cathode waxay isticmaashaa oksaydhka lakabka leh ee nikkel (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, loo yaqaan NMCxyz). Korodhka cufnaanta tamarta, khataraha la xidhiidha ka cararka kulaylka ee LIBs ayaa soo jiitay indhaha dadka. Marka loo eego dhinaca maadada, korantada togan ee hodanka ku ah nikkel waxay leeyihiin arrimo badbaado oo halis ah. Intaa waxaa dheer, oksaydheynta/isku gudubka qaybaha kale ee baytariga, sida dareeraha organic iyo electrodes-ka taban, waxay sidoo kale kicin karaan kuleylka kuleylka, taas oo loo arko sababta ugu weyn ee dhibaatooyinka badbaadada. Sameynta goobta lagu xakameyn karo ee is-dhexgal elektrode-electrolyte ah oo deggan ayaa ah istiraatiijiyadda aasaasiga ah ee jiilka soo socda ee tamarta-cufnaanta sare ee baytariyada lithium-ku-saleysan. Gaar ahaan, isku-dhafka adag ee cufan ee cathode-electrolyte interphase (CEI) oo leh xasilooni kuleyl sare oo ka kooban qaybo aan dabiici ahayn ayaa xallin kara dhibaatada badbaadada iyada oo la joojinayo sii-deynta ogsijiinta. Ilaa hadda, waxaa jirta cilmi-baaris la'aan ku saabsan agabka CEI cathode la beddelay iyo badbaadada heerka batteriga.

Bandhig guuleed

Dhawaan, Feng Xuning, Wang Li, iyo Ouyang Minggao oo ka tirsan Jaamacadda Tsinghua ayaa daabacday warqad cilmi baaris ah oo cinwaankeedu yahay "In-Built Ultraconformal Interphases Waxay u suurtagelisaa badqabka sare ee baytariyada Lithium-ka ee waxtarka leh" ee Qalabka Kaydinta Tamarta. Qoraagu wuxuu qiimeeyay waxqabadka badbaadada NMC811/Gr baytari buuxa oo jilicsan iyo xasiloonida kulaylka ee electrode-ga wanaagsan ee CEI. Habka xakamaynta kulaylka ee u dhexeeya walxaha iyo baytariyada jilicsan ayaa si buuxda loo darsay. Iyada oo la adeegsanayo korontolayt barafarayn oo aan guban karin, batari buuxa oo NMC811/Gr ah ayaa la diyaariyey. Deganaanshaha kulaylka ee NMC811 waxaa hagaajiyay goobta lagu sameeyay lakabka ilaalinta CEI ee qani ku ah LiF-da aan noolaha ahayn. CEI ee LiF waxay si wax ku ool ah u yaraynaysaa sii-deynta ogsijiinta ee ay sababtay isbeddelka wejiga oo ay joojiso falcelinta ka-baxsan ee u dhexeeya NMC811 ee faraxsan iyo korantada fluorinated.

Hagaha sawirka

Jaantuska 1 Isbarbardhigga sifooyinka ka cararka kulaylka ee NMC811/Gr-nooca boorsada buuxa ee batteriga ah iyadoo la adeegsanayo elektrolytka perfluorinated iyo electrolyte caadiga ah. Kadib hal wareeg oo dhaqameed (a) EC/EMC iyo (b) FEC/FEMC/HFE kiishashka korantada ee nooca baytariyada buuxa. (c) EC/EMC Electrolysis ee caadiga ah iyo (d) FEC/FEMC/HFE kiishka elektrolytka ah ee nooca batari buuxa oo da'diisu tahay 100 wareeg.

Bateriga NMC811/Gr ee leh elektrolyt-dhaqameedka hal wareeg ka dib (Jaantuska 1a), T2 waa 202.5°C. T2 waxay dhacdaa marka korantada wareega wareega ay hoos u dhacdo. Si kastaba ha ahaatee, T2 ee baytariga isticmaalaya electrolyte perfluorinated wuxuu gaarayaa 220.2 ° C (Jaantuska 1b), taas oo muujinaysa in koronto ku shuban ay wanaajin karto badbaadada kulaylka dabiiciga ah ee baytari ilaa xad sababtoo ah xasilloonida kulaylka sare. Sida da'da batteriga, qiimaha T2 ee baytariga caadiga ah ee elektrolytka wuxuu hoos ugu dhacayaa 195.2 °C (Jaantus 1c). Si kastaba ha ahaatee, habka gabowga ma saameynayo T2 ee baytariga iyadoo la isticmaalayo electrolytes perfluorinated (Jaantus 1d). Intaa waxaa dheer, qiimaha ugu badan ee dT/dt ee baytariga isticmaalaya electrolyte-dhaqameedka inta lagu jiro TR waa sida ugu sarreeya 113 ° C s-1, halka batari isticmaalaya koronto perfluorinated kaliya 32 ° C s-1. Farqiga u dhexeeya T2 ee baytariyada gabowga waxaa loo aaneyn karaa xasiloonida kulaylka ee NMC811 ee ku faraxsan, kaas oo hoos loo dhigo korantada caadiga ah, laakiin si wax ku ool ah ayaa loo ilaalin karaa iyada oo la raacayo electrolytes perfluorinated.

Jaantuska 2 Dejinta kulaylka ee delithiation NMC811 togan electrode iyo NMC811/Gr baytari isku dhafka ah. A,b (c) Kulaylinta iyo habdhaqanka sii daynta ogsijiinta ee korantada togan ee C-NMC811 iyo F-NMC811. (d) Qalooca DSC ee muunada isku dhafka ah ee korantada togan ee faraxsan, korantada taban ee lithayated, iyo electrolyte.

Jaantusyada 2a iyo b waxay muujinayaan qalooca HEXRD ee NMC81 ku faraxsan oo leh lakabyo CEI oo kala duwan iyadoo ay joogaan korantada caadiga ah iyo inta lagu jiro xilliga heerkulka qolka ilaa 600 ° C. Natiijooyinku waxay si cad u muujinayaan in joogitaanka elektrolytka, lakabka xooggan ee CEI uu ku habboon yahay xasiloonida kulaylka ee cathode-deposited lithium. Sida ku cad Jaantus 2c, hal F-NMC811 ayaa muujiyay heer sare oo gaabis ah oo ka baxsan 233.8 ° C, halka C-NMC811 uu ka soo muuqday 227.3 ° C. Intaa waxaa dheer, xoojinta iyo heerka sii-deynta ogsijiinta ee ay sababtay marxaladda kala-guurka ee C-NMC811 ayaa aad uga daran kuwa F-NMC811, taas oo sii xaqiijinaysa in CEI adag ay hagaajinayso xasilloonida kulaylka ee F-NMC811. Jaantuska 2d waxa uu sameeyaa tijaabada DSC isku dhafka NMC811 ee faraxsan iyo qaybaha kale ee baytariyada u dhigma. Electrolytes-ka caadiga ah, meelaha ugu sarreeya ee shaybaarada leh 1 iyo 100 wareegyada waxay muujinayaan in gabowga isdhexgalka dhaqameed uu yarayn doono xasilloonida kulaylka. Taas bedelkeeda, electrolyte-ka dareeraha leh, sawirada ka dib wareegyada 1 iyo 100 waxay muujinayaan heerar ballaaran oo khafiif ah, oo la jaan qaadaya heerkulka kiciya TR (T2). Natiijooyinka (Jaantuska 1) waa joogto, oo tilmaamaya in CEI-da xooggani ay si wax ku ool ah u hagaajin karto xasilloonida kulaylka ee dadka da'da ah oo ku faraxsan NMC811 iyo qaybaha kale ee batteriga.

Jaantuska 3 Astaamaha NMC811 ee ku faraxsan korantada togan ee elektrolytka perfluorinated. (ab) Sawirada SEM-ka-tallaabo ee da'da F-NMC811 korantada togan iyo khariidaynta EDS ee u dhiganta. (ch) Qaybinta walxaha. (ij) Sawirka SEM-ka-dhaafka ah ee da'da F-NMC811 korantada togan ee xy-ga. (km) Dib-u-dhiska 3D FIB-SEM qaab-dhismeedka iyo qaybinta bannaan ee walxaha F.

Si loo xaqiijiyo samaynta la xakamayn karo ee fluorinated CEI, qaab-dhismeedka qaybaha kala-goysyada iyo qaybinta walxaha ee da'da NMC811 ee korantada togan ee laga helay batteriga dhabta ah ee jilicsan ayaa lagu gartaa FIB-SEM (Jaantus 3 ah). Electrolyte-ka darradan, lakabka fluorinated CEI lebbis ayaa laga sameeyay oogada F-NMC811. Taa lid ku ah, C-NMC811 ee elektrolytka caadiga ah waxa ka maqan F oo waxay samaysaa lakab CEI ah oo aan sinnayn. Mawduuca F ee qaybta iskutallaabta ee F-NMC811 (Jaantuska 3h) wuu ka sarreeyaa kan C-NMC811, kaas oo sii caddaynaya in samaynta goobta gudaha ee mesophase fluorinated inorganic ay fure u tahay ilaalinta xasilloonida NMC811 ku faraxsan. . Iyada oo la kaashanayo FIB-SEM iyo khariidaynta EDS, sida lagu muujiyey Jaantuska 3m, waxay aragtay waxyaabo badan oo F ah oo ku jira qaabka 3D ee dusha sare ee F-NMC811.

Jaantuska 4a) Qaybinta qoto dheer ee curiyaha dusha sare ee asalka ah oo ku farxay NMC811 koronto togan. (ac) FIB-TOF-SIM waxay ku tumanaysaa qaybinta F, O, iyo curiyeyaasha Li ee korantada togan ee NMC811. (df) Qaab-dhismeedka dusha sare iyo qaybinta qoto-dheer ee F, O, iyo Li walxaha NMC811.

FIB-TOF-SEM waxay sii muujisay qaybinta qoto dheer ee walxaha dusha sare ee korantada togan ee NMC811 (Jaantus 4). Marka la barbar dhigo muunadaha asalka ah iyo C-NMC811, koror weyn oo calaamada F ah ayaa laga helay lakabka sare ee F-NMC811 (Jaantus 4a). Intaa waxaa dheer, daciifnimada O iyo calaamadaha sare ee dusha sare waxay muujinayaan samaynta lakabyada F- iyo Li-hod ee CEI (Jaantus 4b, c). Natiijooyinkaan waxay dhamaantood xaqiijiyeen in F-NMC811 ay leedahay lakabka CEI ee qani ku ah LiF. Marka la barbar dhigo CEI ee C-NMC811, lakabka CEI ee F-NMC811 wuxuu ka kooban yahay waxyaabo badan oo F iyo Li ah. Intaa waxaa dheer, sida ku cad FIGS. 4d-f, marka loo eego aragtida qoto dheer ee ion etching, qaab dhismeedka asalka ah ee NMC811 waa ka adag yahay kan NMC811 ku faraxsan. Qoto dheer ee da'da F-NMC811 way ka yar tahay C-NMC811, taas oo macnaheedu yahay in F-NMC811 ay leedahay xasillooni qaabdhismeed heer sare ah.

Jaantuska 5 Halabuurka kiimikaad ee CEI ee dusha sare ee korantada togan ee NMC811. (a) XPS spectrum ee NMC811 korantada togan ee CEI. (bc) XPS C1s iyo F1s muuqaalka asalka ah oo ku farxay NMC811 koronto togan CEI. (d) Cryo-gudbinta elektarooniga ah mikroskoob: qaybinta curiyaha F-NMC811. (e) Sawirka TEM ee barafoobay ee CEI oo lagu sameeyay F-NMC81. (fg) STEM-HAADF iyo STEM-ABF sawirada C-NMC811. (hi) STEM-HAADF iyo STEM-ABF sawirada F-NMC811.

Waxay isticmaaleen XPS si ay u asteeyaan ka kooban kiimikada CEI ee NMC811 (Jaantuska 5). Si ka duwan kan asalka ah ee C-NMC811, CEI ee F-NMC811 waxa uu ka kooban yahay F iyo Li weyn laakiin C yar (Jaantuska 5a). Yaraynta noocyada C waxay muujinaysaa in LiF-hodanka CEI uu ilaalin karo F-NMC811 iyada oo la yareynayo falcelinta dhinaceeda joogtada ah ee elektirolytka (Jaantuska 5b). Intaa waxaa dheer, qadar yar oo CO iyo C=O ah ayaa muujinaya in xalinta F-NMC811 ay xadidan tahay. Muuqaalka F1s ee XPS (Jaantuska 5c), F-NMC811 waxay muujisay calaamad LiF ah oo xoog badan, taasoo xaqiijinaysa in CEI ay ka kooban tahay xaddi badan oo LiF ah oo laga soo qaatay dareerayaasha fluorinadeed. Khariidaynta walxaha F, O, Ni, Co, iyo Mn ee aagga maxalliga ah ee qaybaha F-NMC811 waxay muujinayaan in tafaasiisha si isku mid ah loo qaybiyey guud ahaan (Jaantuska 5d). Sawirka heerkulka hooseeya ee TEM ee Jaantuska 5e wuxuu muujinayaa in CEI ay u dhaqmi karto sidii lakab ilaalin si ay si isku mid ah u daboosho korantada togan ee NMC811. Si loo sii xaqiijiyo horumarka qaab dhismeedka interface-ka, xagal-sare oo wareeg ah oo iskaanka goob mugdi ah ayaa la sameeyay tijaabooyin elektaroonig ah (HAADF-STEM iyo goobada dhalaalaysa iskaanka goobada sawirida ee qalabka elektarooniga ah (ABF-STEM). -NMC811), Dusha electrode-ka togan ee wareegga wareegga ah ayaa lagu sameeyay isbeddel heersare ah, iyo weji cusbo dhagax ah oo khalkhalsan ayaa ku ururay dusha sare ee electrode-ka togan (Jaantuska 5f) Electrolyt-ka perfluorinated, oogada F-NMC811 Electrode togan wuxuu ilaaliyaa qaab-dhismeed lakabaysan (Jaantuska 5h), taas oo muujinaysa waxyeellada wejigu wuxuu noqonayaa mid si wax ku ool ah loo xakameeyey. Lakabka CEI ee dusha sare ee korantada togan ee NMC811 ee elektrolytka perfluorinated.

Jaantus 6a) TOF-SIM spectrum ee wajiga interphase ee dusha sare ee NMC811 korantada togan. (ac) Falanqaynta qoto dheer ee jajabyada ion labaad ee gaarka ah ee ku saabsan korantada togan ee NMC811. (df) TOF-SIMS spectrum kiimikaad ee jajabka ion labaad ka dib 180 ilbiriqsi ee ku tufinta asalka, C-NMC811 iyo F-NMC811.

Jajabyada C2F waxaa guud ahaan loo tixgeliyaa walxaha organic ee CEI, iyo LiF2-iyo PO2-jajabyada waxaa badanaa loo arkaa inay yihiin noocyada aan noolaha ahayn. Calaamadaha si weyn loo xoojiyay ee LiF2- iyo PO2- ayaa lagu helay tijaabada (Jaantuska 6a, b), taas oo muujinaysa in lakabka CEI ee F-NMC811 uu ka kooban yahay tiro badan oo noocyo aan dabiici ahayn. Taas beddelkeeda, C2F-calaamadaha F-NMC811 waa ka daciifsan yahay kan C-NMC811 (Jaantuska 6c), taas oo macnaheedu yahay in lakabka CEI ee F-NMC811 uu ka kooban yahay noocyo dabiici ah oo jilicsan. Cilmi-baaris dheeraad ah ayaa la helay (Jaantuska 6d-f) in ay jiraan noocyo badan oo aan organic ahayn oo ku jira CEI ee F-NMC811, halka ay jiraan noocyo aan dabiici ahayn oo yar oo ku jira C-NMC811. Natiijooyinkan oo dhami waxay muujinayaan samaynta lakabka CEI ee hodanka ku ah noolaha ee adag ee elektrolytka perfluorinated. Marka la barbardhigo NMC811/Gr baytari jilicsan oo isticmaalaya elektrolyte dhaqameed, hagaajinta badbaadada batteriga jilicsan ee jilicsan iyadoo la adeegsanayo korantada dareeraha ah waxaa loo aaneyn karaa: Marka hore, sameynta goobta gudaha ee lakabka CEI ee qani ku ah LiF-ga aan organic waa faa'iido. Deganaanshaha kulaylka dabiiciga ah ee NMC811 ee ku faraxsan korantada togan waxay yaraynaysaa sii daynta ogsijiinta jilicsan ee ay sababtay kala-guurka marxaladda; Marka labaad, lakabka difaaca ee CEI ee adag ee aan organic ahayn ayaa sii dheereynaya ka hortagga delithiation NMC811 ee aadka u firfircoon inay la xiriirto elektrolytka, yareynta falcelinta dhinaca exothermic; Seddexaad, Electrolyte-ka la kariyey ayaa leh xasilooni kulayl sare leh heerkul sarreeya.

Gabagabo iyo Muuqaal

Shaqadani waxay ka warbixisay horumarinta Gr/NMC811 nooca shandad oo buuxa oo batari ah iyadoo la isticmaalayo korontolayt dareere ah, kaas oo si weyn u hagaajiyay waxqabadkiisa badbaadada. Deganaanshaha kulaylka gudaha. Daraasad qotodheer oo ku saabsan habka xannibaadda TR iyo isku xirka walxaha iyo heerarka batteriga. Habka gabowga ma saameynayo heerkulka kicinta TR (T2) ee baytariga elektrolytka perfluorinated inta lagu jiro duufaanta oo dhan, kaas oo leh faa'iidooyin muuqda marka loo eego baytariyada gabowga iyadoo la adeegsanayo elektrolyt-dhaqameedka. Intaa waxaa dheer, heerka ugu sarreeya ee exothermic wuxuu la jaan qaadayaa natiijooyinka TR, taas oo muujinaysa in CEI-ga xooggan uu ku habboon yahay xasiloonida kulaylka ee korantada wanaagsan ee lithium-free iyo qaybaha kale ee batteriga. Natiijooyinkani waxay muujinayaan in naqshadaynta kontoroolka gudaha ee lakabka CEI ee deggan uu leeyahay muhiimad hagitaan oo muhiim ah oo ku saabsan adeegsiga la taaban karo ee baytariyada lithium tamar sare leh oo badbaado leh.

Xogta suugaanta

Dhex-dhismay Ultraconformal Interphases waxay sahlaysa badbaadada sare ee baytariyada lithium, agabka kaydinta tamarta, 2021.