Схема микроразмерных M-анодов LixM с циклическим циклом (M = Si, Sn, Al и Bi) с тонким неорганическим LiF (пурпурный) и толстым органическим SEI (синий). a, SEI LiF имеет слабое связывание с фазами LixM, что сохраняет его неповрежденным во время циклов литирования-делитиирования, что позволяет использовать в течение длительного времени аноды из сплавов микроразмера с ограниченным распылением частиц и уменьшенным набуханием электрода. б) Органический SEI имеет прочную связь с фазами LixM и легко растрескивается при сжатии частиц сплава, что приводит к проникновению электролита, дальнейшему образованию SEI и распылению частиц сплава с огромным раздутием электрода (увеличением толщины). в, Изменение толщины электрода в течение длительного цикла анодов из сплава LiF (пурпурный) и органического SEI (синий). Кредит: Ли и др. (Природная энергия(Спрингер, 2024).
Литий-ионные (LiB) аккумуляторы стали наиболее широко используемыми аккумуляторными батареями во всем мире. Исследователи энергетики и ученые-материаловеды попытались определить альтернативные материалы, которые могли бы служить компонентами LIB, что потенциально могло бы привести к улучшению производительности и эффективности аккумуляторов без значительного увеличения производственных затрат.
До сих пор графит был наиболее широко используемым анодным материалом для LiB 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 является анод из сплава микрометрового размера.
Аноды из сплавов изготавливаются из металлических сплавов, способных вступать в реакцию с литием, таких как кремний (Si), олово (Sn) или алюминий (Al). Аноды на основе этих сплавов могут иметь заметные преимущества перед графитовыми анодами, включая более низкую стоимость и возможность увеличения емкости аккумулятора.
Несмотря на свои потенциальные преимущества, аноды из небольших сплавов до сих пор оказались менее надежными, чем графитовые аноды. Одна из причин этого заключается в том, что они часто приводят к быстрому снижению емкости и низкой кулоновской эффективности, особенно в сочетании с карбонатными электролитами.
Предыдущие исследования показали, что твердая электролитическая межфазная фаза (SEI), защитный слой, который образуется на аноде во время циклической работы батареи, слишком прочно связывается со сплавами. Это может привести к структурным трещинам как на границе раздела твердых электролитов, так и на сплаве, через который может проникать электролит, образуя новые слои SEI по мере зарядки и разрядки аккумулятора.
Результирующая быстрая деградация, наблюдаемая в батареях с анодами из сплавов микроскопического размера, до сих пор ограничивает их широкое использование и коммерциализацию.
В бумага опубликовано в Природная энергияИсследователи из Университета Мэриленда и Университета Род-Айленда представили новый асимметричный электролит, который может улучшить характеристики LiB с анодами из сплавов микроскопического размера.
«Использование анодов из сплавов наноразмеров может улучшить срок службы элемента, но также сокращает срок службы батареи и увеличивает производственные затраты», — пишут Ай-Мин Ли, Зейи Ван и их коллеги в своей статье.
«Мы значительно улучшили циклические характеристики анодов из Si, Al, Sn и Bi микроскопического размера, разработав асимметричные электролиты (ионные жидкости, не содержащие растворителей, и молекулярный растворитель) для формирования богатых LiF неорганических SEI, достигнув емкости 90 мАч μSi||LiNi.0,8Мин.0,1Ко0,1О2 и 70 мАч литиевый3,75Карманные элементы Si||SPAN (емкость площади 4,5 мА·ч см).−2; P/N 1,4) для достижения >400 циклов с высоким сохранением емкости >85%.
Исследователи разработали и синтезировали новый электролит, который может оптимально работать в сочетании с анодами из сплавов микрометрового размера и высокоэнергетическими катодами. В основе этого электролита лежит гексафторфосфат N-метил-N(2-метоксиэтокси)метилпирролидиния, аббревиатура которого – НМЭП.
«Асимметричная конструкция электролита образует богатые LiF промежуточные фазы, которые позволяют анодам высокой емкости и катодам высокой энергии достигать длительного срока службы и обеспечивают общее решение для высокоэнергетических литий-ионных батарей», — пишут Ли, Ван и их коллеги.
Чтобы оценить потенциал своего электролита, команда протестировала его на больших элементах LiB. Их результаты были очень многообещающими, поскольку элементы достигли высокой емкости, превышающей 140 мАч г.-1 в течение 200 циклов, сохраняя более 85% своей мощности после 400 рабочих циклов.
Недавно представленный асимметричный дизайн исследователей улучшает совместимость между LiPF6 соль, ключевой компонент LiB, и диметиловый эфир (ДМЭ) с низким восстановительным потенциалом, позволяющий надежно формировать границы раздела LiF на анодах из сплавов микроскопических размеров.
В будущем его можно будет протестировать на более широком спектре батарей с различным составом анодов и катодов, что потенциально будет способствовать разработке аккумуляторных решений следующего поколения.
Дополнительная информация:
Ай-Мин Ли и др., Асимметричная конструкция электролита для высокоэнергетических литий-ионных батарей со сплавными анодами микрометрового размера, Природная энергия (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01619-2.
© 2024 Сеть Science X
Цитировать: Асимметричная конструкция электролита позволяет использовать аноды большой емкости в литий-ионных батареях (2024 г., 10 сентября), получено 10 сентября 2024 г. с сайта
Этот документ защищен авторским правом. За исключением добросовестного использования в личных целях или исследовательских целях, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.
