Схема циклируемых микроразмерных анодов M LixM (M = Si, Sn, Al и Bi) с тонким неорганическим LiF (пурпурный) и толстым органическим (синий) SEI. a, LiF SEI имеет слабую связь с фазами LixM, что сохраняет его нетронутым во время циклов литирования-делитирования, что обеспечивает длительную циклизацию микроразмерных легированных анодов с ограниченным измельчением частиц и уменьшенным разбуханием электрода. b, Органический SEI имеет прочную связь с фазами LixM и легко растрескивается вдоль сжатия легирующих частиц, что приводит к проникновению электролита, дальнейшему образованию SEI и измельчению легирующих частиц с огромным разбуханием электрода (рост толщины). c, Изменение толщины электрода вдоль длительного цикла легирующих анодов с LiF (пурпурный) и органическим (синий) SEI. Кредит: Li et al. (Энергия природыСпрингер, 2024).
Литий-ионные аккумуляторы (LiB) стали наиболее широко используемыми перезаряжаемыми аккумуляторами во всем мире. Исследователи энергетики и материаловеды пытаются найти альтернативные материалы, которые могли бы служить компонентами LIB, что потенциально приводит к улучшению производительности и эффективности аккумуляторов без значительного увеличения затрат на производство.
На сегодняшний день графит является наиболее используемым анодным материалом для LiBs из-за его относительно низкой стоимости, легкого веса и долговечности. Однако в последние годы исследования выявили многообещающие альтернативы анодам на основе графита, одной из которых являются микроразмерные легированные аноды.
Легирующие аноды основаны на металлических сплавах, которые могут реагировать с литием, например, кремний (Si), олово (Sn) или алюминий (Al). Аноды на основе этих сплавов могут иметь заметные преимущества по сравнению с графитовыми анодами, включая более низкую стоимость и потенциал повышения емкости батарей.
Несмотря на свои потенциальные преимущества, микроразмерные легированные аноды до сих пор оказались менее надежными, чем графитовые аноды. Одной из причин этого является то, что они часто приводят к быстрому снижению емкости и низкой кулоновской эффективности, особенно в сочетании с электролитами на основе карбоната.
Прошлые исследования показали, что твердая электролитная интерфаза (SEI), защитный слой, который образуется на аноде во время цикла батареи, слишком сильно связывается со сплавами. Это может привести к структурным трещинам как на SEI, так и на сплаве, через которые может проникать электролит, образуя новые слои SEI во время зарядки и разрядки батареи.
Быстрое ухудшение характеристик аккумуляторов с микроразмерными легированными анодами до сих пор ограничивало их широкое применение и коммерциализацию.
В бумага опубликовано в Энергия природыИсследователи из Университета Мэриленда и Университета Род-Айленда представили новый асимметричный электролит, который может улучшить характеристики LiB с легированными анодами микроскопического размера.
«Использование наноразмерных легированных анодов может увеличить срок службы ячейки, но также сокращает срок службы батареи и увеличивает производственные затраты», — пишут Ай-Мин Ли, Цзэйи Ван и их коллеги в своей статье.
«Мы значительно улучшили циклические характеристики микроразмерных анодов Si, Al, Sn и Bi, разработав асимметричные электролиты (ионные жидкости без растворителей и молекулярный растворитель) для формирования неорганических SEI с высоким содержанием LiF, что позволяет создавать 90 мАч μSi||LiNi0,8Мн0.1Ко0.1О2 и 70 мАч Li3.75Элементы Si||SPAN в пакетиках (площадь емкости 4,5 мАч см−2; N/P 1,4) для достижения >400 циклов с сохранением высокой емкости >85%».
Исследователи разработали и синтезировали новый электролит, который может работать эффективно в сочетании с микроразмерными легирующими анодами и высокоэнергетическими катодами. Этот электролит основан на гексафторфосфате N-метил-N (2-метоксиэтокси) метилпирролидиния, который сокращенно обозначается как NMEP.
«Асимметричная конструкция электролита формирует богатые LiF интерфазы, которые позволяют анодам высокой емкости и катодам высокой энергии достигать длительного срока службы и обеспечивают общее решение для литий-ионных аккумуляторов высокой энергии», — пишут Ли, Ван и их коллеги.
Чтобы оценить потенциал электролита, команда протестировала его в больших ячейках LiB-пакетов. Результаты оказались весьма многообещающими, поскольку ячейки достигли высокой емкости свыше 140 мАч г-1 в течение 200 циклов, сохраняя более 85% своей емкости после 400 циклов работы.
Недавно представленная исследователями асимметричная конструкция повышает совместимость между LiPF6 соль, ключевой компонент LiBs, и диметиловый эфир (ДМЭ) с низким восстановительным потенциалом, что позволяет надежно формировать интерфейсы LiF на микроразмерных анодах из сплавов.
В будущем его можно будет протестировать на более широком спектре батарей с различным составом анодов и катодов, что потенциально может способствовать разработке аккумуляторных решений следующего поколения.
Дополнительная информация:
Ай-Мин Ли и др., Асимметричная конструкция электролита для литий-ионных аккумуляторов высокой энергии с микроразмерными легированными анодами, Энергия природы (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01619-2.
© 2024 Сеть Science X
Цитата: Асимметричная конструкция электролита позволяет использовать аноды высокой емкости в литий-ионных аккумуляторах (2024, 10 сентября) получено 10 сентября 2024 г. из
Этот документ защищен авторским правом. За исключением случаев честного использования в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставляется только в информационных целях.
