Микробный пиразиндиамин представляет собой новую добавку к электролиту, защищающую высокие

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 19888 (2022) Цитировать эту статью

1163 Доступа

69 Альтметрика

Подробности о метриках

Неконтролируемое окислительное разложение электролита при работе при высоком потенциале (> 4,2 В по сравнению с Li/Li+) серьезно влияет на эффективность материалов на основе оксидов переходных металлов с высокой плотностью энергии в качестве катодов в литий-ионных батареях. Чтобы ограничить эту реакцию разложения электролитов, неизбежна потребность в функциональных молекулах в качестве добавок к электролитам, которые могут ограничить электролитическое разложение. В этом отношении молекулы биологического происхождения являются экономически эффективной, экологически чистой и нетоксичной альтернативой своим синтетическим аналогам. Здесь мы сообщаем о применении микробно-синтезированного 2,5-диметил-3,6-бис(4-аминобензил)пиразина (ДМБАП) в качестве добавки к электролиту, которая стабилизирует высоковольтное (4,5 В по сравнению с Li/Li+) LiNi1/3Mn1/ Катоды 3Co1/3O2. Высоко расположенная высшая занятая молекулярная орбиталь биодобавки (DMBAP) приводит к ее жертвенному окислительному разложению in situ с образованием органического пассивационного слоя на поверхности катода. Это ограничивает чрезмерное разложение электролита, образуя специальную границу раздела катод-электролит, обеспечивая циклическую стабильность и улучшая сохранение емкости катода.

Постоянно растущий спрос на электромобили (EV), гибридные электромобили (HEV), портативную бытовую электронику и электросети нового поколения привел к обширным исследованиям в области разработки катодов с высокой плотностью энергии для литий-ионных аккумуляторов (LIB)1. ,2,3,4. В качестве подходящей альтернативы традиционным современным катодам LiCoO2 в ЛИА были исследованы различные катодные материалы на основе оксидов различных смесей переходных металлов (Ni, Mn и Co-NMC), поскольку они обладают более высокой удельной удельной способностью. мощность и эксплуатационные потенциалы5,6,7,8,9. Среди множества недавно исследованных катодных материалов было признано, что катод LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 обеспечивает превосходные характеристики при работе при высоком потенциале (~ 4,5 В по сравнению с Li/Li+) с высокой обратимой емкостью10,11,12. Хотя эти катоды могут обеспечивать превосходные характеристики при более высоком потенциале по сравнению со своими обычными аналогами, чрезмерное окислительное разложение карбонатных частиц в коммерческих электролитах при высоком потенциале из-за их высоколежащей высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) приводит к образованию нестабильная и толстая межфазная фаза катода-электролита (CEI) с высоким межфазным сопротивлением на поверхности катода13,14,15,16,17. Это серьезно влияет на производительность катодов, приводя к плохой циклической стабильности и ухудшая обратимую емкость. Кроме того, разложение литиевой соли LiPF6 (LiPF6 → LiF + PF5) и присутствие воды в следовых количествах дополнительно приводят к другим вредным реакциям (PF5 + H2O → PF3O + 2HF), приводящим к образованию HF, что может отрицательно повлиять на целостность CEI. и необратимо разъедают морфологию катода18,19,20,21. Следовательно, поверхность высокопроизводительных NMC-катодов, таких как LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, очень чувствительна к неблагоприятным деградационным реакциям и реакциям электролита при работе при более высоком потенциале.

Одной из лучших стратегий ограничения неконтролируемого окислительного разложения коммерческих электролитов является использование функциональных органических молекул в качестве добавок к электролиту, которые могут маскировать поверхность катода, образуя защитный слой перед деградационной реакцией видов электролита при более высоких температурах. потенциал22,23. Поэтому для стабилизации высокопроизводительных NMC-катодов используются различные добавки, такие как 1,3-пропансультон24, винилкарбонат (VC)25, янтарный ангидрид26, (4,4´-би(1,3,2-диоксатиолан)) Исследованы 2,2´-диоксид (BDTD)27, бис(триметилсилил)2-метил-2-фтормалонат (BTMSMFM)28, бисоксалатодифторфосфат лития (LiBODFP)29 и др. Хотя применение этих добавок могло быть частично эффективным для стабилизации взаимодействия карбонатных электролитов с катодами, проблема сохранения структурной стабильности катода не была решена убедительно. Поэтому другие методы, такие как покрытие катодных материалов ZnO, Al2O3 и т. д., были самостоятельными вариантами30,31.

99% CE within first 7 cycles in comparison to the control full cell that took 25 cycles indicating higher irreversible capacity loss owing to the undesirable excessive electrolyte decomposition on the electrode. In the first positive scan (charging of full cell or delithiation of cathode) from 2.0 to 4.5 V versus Li/Li+, plateau corresponding to DMBAP oxidation on the cathode was evident in contrast to the control full cell with no additive. This further explains the cyclic stability and higher coulombic efficiency of the full cell with DMBAP additive as DMBAP's sacrificial oxidation inspired protection layer formation on the cathode that armours it for better cyclic performance and stability./p> 96%). Vacuum dried DMBAP was added to the commercial LiPF6 electrolyte to evaluate its performance as an additive. To understand the oxidative decomposition characteristics of electrolyte species with and without DMBAP additive, linear sweep voltammetry (LSV) measurements of the control system (without additive) and DMBAP-based system were recorded between 0 and 6 V versus Li/Li+. And, to evaluate the reductive decomposition response, the LSV measurements were recorded between open circuit potentials (OCPs) and 0 V versus Li/Li+ for the corresponding systems. The LSV measurements were recorded at a scan rate of 1 mVs−1. For, LSV measurements, test cells were fabricated with the following cell assembly: polypropylene separator (25 mm, Celgard) sandwiched between stainless steel disc as working electrode and Li metal as counter and reference electrode. For the electrochemical evaluation of the Li-NMC cathode with and without DMBAP additive, 2025-type coin cells were fabricated with the following configuration: Li-NMC as cathode, polypropylene separator (25 mm, Celgard 2500), additive containing electrolyte/only electrolyte (control system), and lithium metal (Honjo metals) as counter and reference electrode, respectively. The cells were assembled inside an argon-filled glovebox to avoid the moisture contamination (UNICO UN-650F, H2O and O2 content < 0.1 ppm). The charge–discharge studies were carried at 25 °C on Electrofield-EFT-001. A VSP potentiostat (BioLogic) electrochemical analyzer/workstation was used for the electrochemical characterization of the fabricated half-cells by cyclic voltammetry (CV) measurements between 3.0–4.5 V and 3.0–4.8 V versus Li/Li+ at 25 °C at a scan rate of 0.1 mVs−1. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and dynamic electrochemical impedance spectroscopy (DEIS) studies were conducted on a VSP potentiostat (Biologic) within a frequency range of 10 mHz–1 MHz with a sinus amplitude of 10 mV./p>

Новости

Микробный пиразиндиамин представляет собой новую добавку к электролиту, защищающую высокие