ESM: व्यावहारिक उच्च-ऊर्जा लिथियम बैटरी के लिए परफ़्लुओरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट का अंतर्निर्मित अल्ट्रा-अनुरूप इंटरफ़ेस

अनुसंधान बैकग्राउंड

लिथियम-आयन बैटरी में, 350 Wh Kg-1 के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, कैथोड सामग्री निकल-समृद्ध स्तरित ऑक्साइड (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1, जिसे NMCxyz कहा जाता है) का उपयोग करती है। ऊर्जा घनत्व में वृद्धि के साथ, एलआईबी के थर्मल पलायन से संबंधित खतरों ने लोगों का ध्यान आकर्षित किया है। भौतिक दृष्टिकोण से, निकल-समृद्ध सकारात्मक इलेक्ट्रोड में गंभीर सुरक्षा मुद्दे हैं। इसके अलावा, अन्य बैटरी घटकों, जैसे कार्बनिक तरल पदार्थ और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के ऑक्सीकरण/क्रॉसस्टॉक भी थर्मल पलायन को ट्रिगर कर सकते हैं, जिसे सुरक्षा समस्याओं का प्रमुख कारण माना जाता है। स्थिर इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस का इन-सीटू नियंत्रणीय गठन अगली पीढ़ी के उच्च-ऊर्जा-घनत्व लिथियम-आधारित बैटरी के लिए प्राथमिक रणनीति है। विशेष रूप से, उच्च थर्मल स्थिरता अकार्बनिक घटकों के साथ एक ठोस और घने कैथोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (सीईआई) ऑक्सीजन की रिहाई को रोककर सुरक्षा समस्या को हल कर सकता है। अब तक, सीईआई कैथोड-संशोधित सामग्री और बैटरी-स्तर की सुरक्षा पर शोध की कमी है।

उपलब्धि प्रदर्शन

हाल ही में, सिंघुआ विश्वविद्यालय के फेंग ज़ुनिंग, वांग ली और ओयांग मिंगगाओ ने ऊर्जा भंडारण सामग्री पर "इन-बिल्ट अल्ट्राकॉन्फॉर्मल इंटरफेज सक्षम उच्च-सुरक्षा व्यावहारिक लिथियम बैटरी" नामक एक शोध पत्र प्रकाशित किया। लेखक ने व्यावहारिक NMC811/Gr सॉफ्ट-पैक फुल बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन और संबंधित CEI पॉजिटिव इलेक्ट्रोड की थर्मल स्थिरता का मूल्यांकन किया। सामग्री और सॉफ्ट पैक बैटरी के बीच थर्मल भगोड़ा दमन तंत्र का व्यापक अध्ययन किया गया है। एक गैर-ज्वलनशील perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके, एक NMC811/Gr पाउच-प्रकार की पूर्ण बैटरी तैयार की गई थी। NMC811 की थर्मल स्थिरता को अकार्बनिक LiF में समृद्ध इन-सीटू गठित CEI सुरक्षात्मक परत द्वारा सुधारा गया था। LiF का CEI चरण परिवर्तन के कारण होने वाली ऑक्सीजन की रिहाई को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है और प्रसन्न NMC811 और फ्लोरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट के बीच एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया को रोक सकता है।

ग्राफिक गाइड

चित्रा 1 व्यावहारिक एनएमसी811/जीआर पाउच-प्रकार पूर्ण बैटरी के थर्मल भगोड़ा विशेषताओं की तुलना perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट और पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग कर। पारंपरिक के एक चक्र के बाद (ए) ईसी/ईएमसी और (बी) perfluorinated FEC/FEMC/HFE इलेक्ट्रोलाइट पाउच प्रकार पूर्ण बैटरी। (सी) पारंपरिक ईसी/ईएमसी इलेक्ट्रोलिसिस और (डी) perfluorinated एफईसी/एफईएमसी/एचएफई इलेक्ट्रोलाइट पाउच-प्रकार पूर्ण बैटरी 100 चक्र के बाद आयु वर्ग के।

एक चक्र के बाद पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट वाली NMC811/Gr बैटरी के लिए (चित्र 1a), T2 202.5°C पर है। T2 तब होता है जब ओपन-सर्किट वोल्टेज गिरता है। हालांकि, परफ़्लुओरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाली बैटरी का T2 220.2°C (चित्र 1b) तक पहुँच जाता है, जो दर्शाता है कि perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट अपनी उच्च तापीय स्थिरता के कारण कुछ हद तक बैटरी की अंतर्निहित थर्मल सुरक्षा में सुधार कर सकता है। बैटरी की उम्र के रूप में, पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट बैटरी का T2 मान 195.2 °C (चित्र 1c) तक गिर जाता है। हालांकि, उम्र बढ़ने की प्रक्रिया perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट्स (चित्रा 2d) का उपयोग कर बैटरी के T1 को प्रभावित नहीं करती है। इसके अलावा, TR के दौरान पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाली बैटरी का अधिकतम dT/dt मान 113°C s-1 जितना अधिक होता है, जबकि perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाली बैटरी केवल 32°C s-1 होती है। उम्र बढ़ने वाली बैटरियों के T2 में अंतर को प्रसन्न NMC811 की अंतर्निहित थर्मल स्थिरता के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जिसे पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट्स के तहत कम किया जाता है, लेकिन प्रभावी रूप से perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट्स के तहत बनाए रखा जा सकता है।

चित्र 2 परिसीमन NMC811 धनात्मक इलेक्ट्रोड और NMC811/Gr बैटरी मिश्रण की तापीय स्थिरता। (ए, बी) सी-एनएमसी811 और एफ-एनएमसी811 सिंक्रोट्रॉन उच्च-ऊर्जा एक्सआरडी और संबंधित (003) विवर्तन शिखर परिवर्तन के कंटूर मानचित्र। (सी) सी-एनएमसी811 और एफ-एनएमसी811 के सकारात्मक इलेक्ट्रोड के हीटिंग और ऑक्सीजन रिलीज व्यवहार। (डी) प्रसन्न सकारात्मक इलेक्ट्रोड, लिथियेटेड नकारात्मक इलेक्ट्रोड, और इलेक्ट्रोलाइट के नमूना मिश्रण का डीएससी वक्र।

आंकड़े 2ए और बी पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट्स की उपस्थिति में और कमरे के तापमान से 81 डिग्री सेल्सियस की अवधि के दौरान विभिन्न सीईआई परतों के साथ प्रसन्न एनएमसी600 के एचईएक्सआरडी वक्र दिखाते हैं। परिणाम स्पष्ट रूप से दिखाते हैं कि इलेक्ट्रोलाइट की उपस्थिति में, एक मजबूत सीईआई परत लिथियम-जमा कैथोड की थर्मल स्थिरता के लिए अनुकूल है। जैसा कि चित्र 2c में दिखाया गया है, एक एकल F-NMC811 ने 233.8°C पर धीमी एक्ज़ोथिर्मिक चोटी दिखाई, जबकि C-NMC811 एक्ज़ोथिर्मिक शिखर 227.3°C पर दिखाई दिया। इसके अलावा, सी-एनएमसी811 के चरण संक्रमण की वजह से ऑक्सीजन रिलीज की तीव्रता और दर एफ-एनएमसी811 की तुलना में अधिक गंभीर है, आगे यह पुष्टि करता है कि मजबूत सीईआई एफ-एनएमसी811 की अंतर्निहित थर्मल स्थिरता में सुधार करता है। चित्र 2d प्रसन्न NMC811 और अन्य संगत बैटरी घटकों के मिश्रण पर DSC परीक्षण करता है। पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए, 1 और 100 चक्र वाले नमूनों की एक्ज़ोथिर्मिक चोटियों से संकेत मिलता है कि पारंपरिक इंटरफ़ेस की उम्र बढ़ने से थर्मल स्थिरता कम हो जाएगी। इसके विपरीत, perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट के लिए, 1 और 100 चक्रों के बाद के चित्र TR ट्रिगर तापमान (T2) के अनुरूप व्यापक और हल्के एक्ज़ोथिर्मिक चोटियों को दिखाते हैं। परिणाम (चित्रा 1) सुसंगत हैं, यह दर्शाता है कि मजबूत सीईआई वृद्ध और प्रसन्न एनएमसी811 और अन्य बैटरी घटकों की थर्मल स्थिरता को प्रभावी ढंग से सुधार सकता है।

चित्रा 3 perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट में प्रसन्न NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड की विशेषता। (एबी) वृद्ध एफ-एनएमसी811 पॉजिटिव इलेक्ट्रोड और संबंधित ईडीएस मैपिंग की क्रॉस-सेक्शनल एसईएम छवियां। (च) तत्व वितरण। (ij) आभासी xy पर वृद्ध F-NMC811 धनात्मक इलेक्ट्रोड की क्रॉस-सेक्शनल SEM छवि। (किमी) 3डी एफआईबी-एसईएम संरचना का पुनर्निर्माण और एफ तत्वों का स्थानिक वितरण।

फ्लोरिनेटेड सीईआई के नियंत्रणीय गठन की पुष्टि करने के लिए, वास्तविक सॉफ्ट-पैक बैटरी में बरामद वृद्ध एनएमसी811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड के क्रॉस-अनुभागीय आकारिकी और तत्व वितरण को एफआईबी-एसईएम (चित्रा 3 आह) की विशेषता थी। perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट में, F-NMC811 की सतह पर एक समान fluorinated CEI परत बनती है। इसके विपरीत, पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट में C-NMC811 में F की कमी होती है और यह एक असमान CEI परत बनाता है। F-NMC811 (चित्र 3h) के क्रॉस-सेक्शन पर F तत्व सामग्री C-NMC811 की तुलना में अधिक है, जो आगे साबित करता है कि अकार्बनिक फ्लोरिनेटेड मेसोफ़ेज़ का इन-सीटू गठन प्रसन्न NMC811 की स्थिरता को बनाए रखने की कुंजी है। . FIB-SEM और EDS मैपिंग की मदद से, जैसा कि चित्र 3m में दिखाया गया है, इसने F-NMC3 की सतह पर 811D मॉडल में कई F तत्वों का अवलोकन किया।

चित्र 4a) मूल और प्रसन्न NMC811 धनात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर तत्व की गहराई का वितरण। (एसी) FIB-TOF-SIMS NMC811 के धनात्मक इलेक्ट्रोड में F, O और Li तत्वों के वितरण को धूमिल कर रहा है। (डीएफ) एनएमसी811 के एफ, ओ और ली तत्वों की सतह आकारिकी और गहराई वितरण।

FIB-TOF-SEM ने NMC811 (चित्र 4) के धनात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर तत्वों के गहराई वितरण का और खुलासा किया। मूल और C-NMC811 नमूनों की तुलना में, F-NMC811 (चित्र 4a) की ऊपरी सतह परत में F सिग्नल में उल्लेखनीय वृद्धि पाई गई। इसके अलावा, सतह पर कमजोर ओ और उच्च ली संकेत एफ- और ली-समृद्ध सीईआई परतों (चित्रा 4 बी, सी) के गठन का संकेत देते हैं। इन सभी परिणामों ने पुष्टि की कि F-NMC811 में LiF-समृद्ध CEI परत है। C-NMC811 के CEI की तुलना में, F-NMC811 की CEI परत में F और Li तत्व अधिक होते हैं। इसके अलावा, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 4d-f, आयन नक़्क़ाशी की गहराई के दृष्टिकोण से, मूल NMC811 की संरचना प्रसन्न NMC811 की तुलना में अधिक मजबूत है। वृद्ध एफ-एनएमसी811 की ईच गहराई सी-एनएमसी811 से छोटी है, जिसका अर्थ है कि एफ-एनएमसी811 में उत्कृष्ट संरचनात्मक स्थिरता है।

चित्रा 5 एनएमसी811 के सकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर सीईआई रासायनिक संरचना। (ए) एनएमसी811 पॉजिटिव इलेक्ट्रोड सीईआई का एक्सपीएस स्पेक्ट्रम। (बीसी) मूल और प्रसन्न एनएमसी1 सकारात्मक इलेक्ट्रोड सीईआई के एक्सपीएस सी1एस और एफ811एस स्पेक्ट्रा। (डी) क्रायो-ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप: एफ-एनएमसी811 का तत्व वितरण। (ई) एफ-एनएमसी81 पर सीईआई की जमी हुई टीईएम छवि। (fg) C-NMC811 की STEM-HAADF और STEM-ABF छवियां। (hi) F-NMC811 के STEM-HAADF और STEM-ABF चित्र।

उन्होंने NMC811 (चित्र 5) में CEI की रासायनिक संरचना को चिह्नित करने के लिए XPS का उपयोग किया। मूल C-NMC811 के विपरीत, F-NMC811 के CEI में एक बड़ा F और Li लेकिन मामूली C (चित्र 5a) होता है। सी प्रजातियों की कमी इंगित करती है कि लीफ-समृद्ध सीईआई इलेक्ट्रोलाइट्स (चित्रा 811 बी) के साथ निरंतर पक्ष प्रतिक्रियाओं को कम करके एफ-एनएमसी5 की रक्षा कर सकता है। इसके अलावा, CO और C=O की छोटी मात्रा दर्शाती है कि F-NMC811 का सॉल्वोलिसिस सीमित है। XPS (चित्र 1c) के F5s स्पेक्ट्रम में, F-NMC811 ने एक शक्तिशाली LiF संकेत दिखाया, यह पुष्टि करते हुए कि CEI में फ़्लोरिनेटेड सॉल्वैंट्स से प्राप्त LiF की एक बड़ी मात्रा है। F-NMC811 कणों पर स्थानीय क्षेत्र में F, O, Ni, Co, और Mn तत्वों की मैपिंग से पता चलता है कि विवरण समान रूप से संपूर्ण रूप से वितरित किए गए हैं (चित्र 5d)। चित्र 5e में निम्न-तापमान TEM छवि दर्शाती है कि CEI NMC811 धनात्मक इलेक्ट्रोड को समान रूप से कवर करने के लिए एक सुरक्षात्मक परत के रूप में कार्य कर सकता है। इंटरफ़ेस के संरचनात्मक विकास की पुष्टि करने के लिए, हाई-एंगल सर्कुलर डार्क-फील्ड स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HAADF-STEM और सर्कुलर ब्राइट-फील्ड स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (ABF-STEM) प्रयोग किए गए। कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट (C) के लिए -NMC811), परिसंचारी धनात्मक इलेक्ट्रोड की सतह में एक गंभीर चरण परिवर्तन आया है, और एक अव्यवस्थित सेंधा नमक चरण धनात्मक इलेक्ट्रोड (चित्र 5f) की सतह पर जमा हो गया है। perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट के लिए, F-NMC811 की सतह धनात्मक इलेक्ट्रोड एक स्तरित संरचना (चित्र 5h) को बनाए रखता है, जो हानिकारक को दर्शाता है। चरण प्रभावी रूप से दबा हुआ है। इसके अलावा, F-NMC811 (चित्र 5i-g) की सतह पर एक समान CEI परत देखी गई थी। ये परिणाम आगे की एकरूपता को साबित करते हैं perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट में NMC811 की सकारात्मक इलेक्ट्रोड सतह पर CEI परत।

चित्र 6a) NMC811 धनात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर इंटरफेज़ चरण का TOF-SIMS स्पेक्ट्रम। (एसी) एनएमसी811 के धनात्मक इलेक्ट्रोड पर विशिष्ट द्वितीय आयन अंशों का गहन विश्लेषण। (डीएफ) मूल, सी-एनएमसी180 और एफ-एनएमसी811 पर स्पटरिंग के 811 सेकंड के बाद दूसरे आयन टुकड़े का टीओएफ-सिम्स रासायनिक स्पेक्ट्रम।

C2F-टुकड़ों को आमतौर पर CEI का कार्बनिक पदार्थ माना जाता है, और LiF2- और PO2-टुकड़ों को आमतौर पर अकार्बनिक प्रजाति माना जाता है। प्रयोग में LiF2- और PO2- के महत्वपूर्ण रूप से संवर्धित संकेत प्राप्त किए गए थे (चित्र 6a, b), यह दर्शाता है कि F-NMC811 की CEI परत में बड़ी संख्या में अकार्बनिक प्रजातियां हैं। इसके विपरीत, F-NMC2 का C811F-संकेत C-NMC811 (चित्र 6c) की तुलना में कमजोर है, जिसका अर्थ है कि F-NMC811 की CEI परत में कम नाजुक कार्बनिक प्रजातियां होती हैं। आगे के शोध में पाया गया (चित्र 6d-f) कि F-NMC811 के CEI में अधिक अकार्बनिक प्रजातियां हैं, जबकि C-NMC811 में कम अकार्बनिक प्रजातियां हैं। ये सभी परिणाम perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट में एक ठोस अकार्बनिक-समृद्ध CEI परत के गठन को दर्शाते हैं। पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते हुए एनएमसी811/जीआर सॉफ्ट-पैक बैटरी की तुलना में, परफ्लुओरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके सॉफ्ट-पैक बैटरी की सुरक्षा में सुधार के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है: सबसे पहले, अकार्बनिक एलआईएफ में समृद्ध सीईआई परत का इन-सीटू गठन फायदेमंद है। प्रसन्न NMC811 सकारात्मक इलेक्ट्रोड की अंतर्निहित थर्मल स्थिरता चरण संक्रमण के कारण जाली ऑक्सीजन की रिहाई को कम करती है; दूसरे, ठोस अकार्बनिक सीईआई सुरक्षात्मक परत अत्यधिक प्रतिक्रियाशील परिसीमन NMC811 को इलेक्ट्रोलाइट से संपर्क करने से रोकती है, जिससे एक्ज़ोथिर्मिक पक्ष प्रतिक्रिया कम हो जाती है; तीसरा, पेरफ़्लुओरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट में उच्च तापमान पर उच्च तापीय स्थिरता होती है।

निष्कर्ष और आउटलुक

इस कार्य ने एक व्यावहारिक जीआर/एनएमसी811 पाउच-प्रकार की पूर्ण बैटरी के विकास की सूचना दी जिसमें एक परफ्लुओरिनेटेड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया गया था, जिसने इसके सुरक्षा प्रदर्शन में काफी सुधार किया। आंतरिक थर्मल स्थिरता। टीआर निषेध तंत्र और सामग्री और बैटरी स्तरों के बीच संबंध का गहन अध्ययन। उम्र बढ़ने की प्रक्रिया पूरे तूफान के दौरान perfluorinated इलेक्ट्रोलाइट बैटरी के TR ट्रिगर तापमान (T2) को प्रभावित नहीं करती है, जिसका पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाली उम्र बढ़ने वाली बैटरी पर स्पष्ट लाभ है। इसके अलावा, एक्ज़ोथिर्मिक शिखर टीआर परिणामों के अनुरूप है, यह दर्शाता है कि मजबूत सीईआई लिथियम मुक्त सकारात्मक इलेक्ट्रोड और अन्य बैटरी घटकों की थर्मल स्थिरता के लिए अनुकूल है। इन परिणामों से पता चलता है कि स्थिर सीईआई परत के इन-सीटू नियंत्रण डिजाइन का सुरक्षित उच्च-ऊर्जा लिथियम बैटरी के व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए महत्वपूर्ण मार्गदर्शक महत्व है।

साहित्य की जानकारी

इन-बिल्ट अल्ट्राकॉन्फॉर्मल इंटरफेस उच्च सुरक्षा व्यावहारिक लिथियम बैटरी, ऊर्जा भंडारण सामग्री, 2021 को सक्षम करते हैं।