Videnskaben bag syltede batterielektrolytter

Batteriforskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory har opdaget en vigtig kemisk reaktion, der ligner den metode, der blev brugt til fremstilling af pickles. Reaktionen giver vigtig indsigt i adfærden hos et almindeligt elektrolytadditiv, der bruges til at øge ydeevnen.

Det valgte energilagringssystem til elektriske køretøjer er lithium-ion-batteriet. I alle elektriske bilers batterier, jo mere energi der lagres, jo længere rækkevidde. I øjeblikket, imidlertid, katoden begrænser lithium-ion-batteriets maksimale energilagringskapacitet. At overvinde denne begrænsning kræver katodematerialer, der har høj kapacitet og fungerer ved høj spænding. Selvom sådanne materialer er blevet identificeret, deres langsigtede brug er stadig problematisk, fordi de nedbryder den flydende elektrolyt i kontakt med den energiserede katode under litiumioncellens ladning-udladningscyklus.

Et velkendt middel til at løse dette problem er at indsætte et præstationsfremmende additiv i den flydende elektrolyt. Dette additiv ændrer katodeoverfladen ved at danne et beskyttende lag, der stopper elektrolytnedbrydningen. Et sådant almindeligt tilsætningsstof, vist sig at være effektiv, er tris (trimethylsilyl) phosphit, bedre kendt som TMSPi. Mekanismen bag dens gavnlige effekt havde været et mysterium - indtil nu.

Det overraskende nye resultat er, at selve TMSPi -molekylet ikke er involveret direkte i beskyttelsen af ​​katoden. Den aktive komponent er et andet molekyle, PF ₂ OSiMe ₃ , som er kemisk afledt af TMSPi og repræsenteret strukturelt i billedet til venstre.

Denne forbindelse - en blandt mange sådanne produkter - dannes langsomt, når litiumsaltet i elektrolytten reagerer med TMSPi. En af Argonne -forfatterne, Senior materialeforsker Daniel Abraham, sammenlignede processen "med anaerob fermentering af agurker i saltlage, som giver os velsmagende pickles. "

I deres forskning, Abraham og hans kolleger demonstrerede, at denne "bejdsning" har flere gavnlige virkninger. Reaktionsproduktet formindsker stigningen i elektrisk modstand, der normalt forekommer i battericellen under opladning -afladningscyklus. En uønsket bremsning af lithiumioner, der bevæger sig mellem katode og anode, og en irreversibel ændring i katodesammensætningen udløser stigningen i modstand; faldende modstandsstigning tillader hurtig opladning og afladning af lithiumioncellen.

TMPSi -produktet reducerer også det skadelige tab af overgangsmetallet (typisk kobolt eller mangan) i katodematerialet. Efter at være flygtet fra katoden, overgangsmetalionerne passerer gennem elektrolytten til anoden, forringe dens ydeevne under langvarig cykling. TMPSi -produktet begrænser ikke kun tab af overgangsmetal, men reducerer også forekomsten af ​​parasitære strømme, der nedbryder ladning -udladningsprocessen.

"Nøglen til succes i denne undersøgelse var identifikation af oprindelsen til disse gavnlige virkninger, "tilføjede Abraham. Han uddybede, at hans teams beregningsundersøgelser afslørede, at reaktionsproduktet PF ₂ OSiMe ₃ binder stærkt til reaktionscentre på katodeoverfladen uden at forårsage den skadelige fjernelse af ilt fra overfladen. Dette overfladebundne molekyle kan yderligere reagere med elektrolytten, transformere til et stadig stærkere bindingsmolekyle, der permanent lukker reaktionscentrene på katoden, stabilisering af grænsefladen mellem flydende elektrolyt og fast elektrode. "Som resultat, "Abraham rapporterer, "batteriets ydeevne forbedres faktisk, efterhånden som TMPSi -elektrolytadditivet ældes."

Abraham rapporterer også, at dette tidlige forskningsstudie har en vigtig praktisk anvendelse. "Nu hvor vi bedre forstår mekanismen for fosfitets beskyttende virkning af katoder, vi kan være mere systematiske i at finde nye måder at opnå og forbedre denne bejdsning af elektrolytadditivet på. "

En nyligt offentliggjort artikel i The Journal of Physical Chemistry , med titlen "Kemisk 'bejdsning' af fosfatadditiver dæmper impedansstigning i Li Ion -batterier, "beskriver arbejdet.