溶剂化和界面工程实现能量密度超过270 Wh/Kg的石墨/NCM电池在-40℃下工作

相关成果以“Solvation and Interfacial Engineering Enable -40 °C Operation of Graphite/NCM Batteries at Energy Density Over 270 wh/kg”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。论文第一作者为xueying zheng 。

【图片及图注】

图 1 相应电解液的溶剂化结构分析。(a) 1 M LiPF₆-EC/EMC和(b) FWSE+Na电解液的溶剂化环境示意图。(c) ⁷Li NMR， (d) ¹³C NMR和(e) ¹⁹F NMR。(f) FWSE+Na电解液的MD模拟快照。FWSE+Na中各种阴离子/溶剂分子相对于(g) Li⁺和(h) Na⁺的径向分布函数及配位数。

图 2 改性电解液对石墨负极的动力学研究。用于Ea计算的石墨对称电池的示意图。(b) Li⁺去溶剂化的Arrhenius行为和活化能。(c) Li⁺通过SEI扩散的Arrhenius行为和活化能。(d)使用相应电解液的锂/石墨电池的dQ/dV图。锂/石墨电池在(e) 室温和(f) -20℃下使用相应电解液的循环稳定性。

图 3 石墨/NCM523全电池的循环性能。(a) 1C下室温长循环稳定性。(b) 石墨/NCM523电池在0.2C时，温度从25℃降至-40℃的温度依赖性能。(c) 在不同温度下使用FWSE+Na电解液的充放电曲线。(d) -20℃时0.2C倍率下长循环稳定性。(e) -20℃下FWSE+Na电解液的充放电曲线。(f) 石墨/NCM523软包电池在-40℃下以4.6 V为截止电压的循环行为。(g) 石墨/NCM523软包电池在-40℃下使用FWSE+Na电解液驱动的遥控车。

图 4 石墨负极上析锂及其SEI成分的研究。石墨负极在(a) 1 M LiPF₆-EC/EMC和(b) FWSE+Na电解液中循环后的SEM图像。使用(c) 1 M LiPF₆-EC/EMC和(d) FWSE+Na电解液对SEI结构进行低温TEM分析，右侧显示相应的FFT图像。采用(e) 1 M LiPF₆-EC/EMC和(f) FWSE+Na电解液循环后的石墨负极在-20℃下的XPS C1s、F1s、Li1s和Na1s光谱。(g) 使用FWSE+Na电解液石墨表面的TOF-SIMS映射。(h)使用FWSE+Na电解液石墨表面的TOF-SIMS三维重建。

图 5 基于Li/Na杂化SEI的Li⁺传输动力学模拟。(a) 主要的Li⁺/Na⁺-溶剂化团簇的HOMO和LUMO能级。(b) 根据能斯特方程，由吉布斯自由能的变化计算出Li⁺/Na⁺-溶剂化团簇的还原电位。(c) 不同时间尺度下使用FWSE+Na在电解液/石墨界面上的AIMD模拟快照。可能的Li⁺扩散路径和通过(d) 主体LiF和(e) LiF/NaF边界计算的最小能量路径。

图 6 电解液与商用NCM523正极的兼容性比较。NCM523正极在(a) 1 M LiPF₆-EC/EMC和(b) FWSE+Na电解液中循环后的SEM图像。NCM523正极在(c) 1 M LiPF₆-EC/EMC和(d) FWSE+Na电解液中循环后的TEM图像。(e) 在两种不同电解液中形成的CEI中C, O和F元素的原子比。(f) 在两种不同电解液中循环的NCM523正极的过渡金属溶解分析。采用(g) 1 M LiPF₆-EC/EMC和(h) FWSE+Na电解液的NCM523正极在-20℃下循环后的C1s、O1s和F1s XPS光谱。

文献来源：Solvation and Interfacial Engineering Enable -40 °C Operation of Graphite/NCM Batteries at Energy Density Over 270 wh/kg. DOI: 10.1002/adma.202210115.