بررسی تاثیر افزودنی ضد شعله حاوی فسفر و بهبود دهنده ظرفیتی گوگردی در تشکیل لایه ی SEI و بهبود ایمنی در باتری های لیتیوم یون صنعتی

Abstract

پیشرفت¬هایی در توسعه مواد الکترود با ظرفیت بالا و ولتاژ بالا برای کاربردهای پرقدرت در حال انجام است. خواص الکترولیت¬های مورد استفاده نیز به عملکرد باتری و مسائل ایمنی مربوط می¬شود. برای بهبود خواص الکترولیت¬ها، مقادیر کمی از اجزای دیگر، که به عنوان افزودنی¬های الکترولیت شناخته می¬شوند، اضافه می¬شوند. استفاده از افزودنی¬های الکترولیت یکی از اقتصادی¬ترین و موثرترین روش¬ها برای بهبود عملکرد باتری لیتیوم یون است. لایه اینترفاز الکترولیت جامد در باتری‌های لیتیوم یون کل سینتیک واکنش سلولی را نشان می‌دهد و برگشت‌پذیری بینابینی لیتیوم را ایجاد می‌کند. تثبیت اینترفاز الکترولیت جامد هدف اصلی تحقیقات افزایشی به منظور افزایش عملکرد باتری است. الکترولیت‌های آلکیل کربنات نمونه‌هایی از الکترولیت‌های غیر آبی هستند که دمای جوش و سرمایش مناسب، قطبیت بالا و سمیت کم دارند [1-5]. تقویت‌کننده‌های الکترولیت شامل سولفور اغلب در باتری‌های لیتیوم یونی به‌عنوان سازنده اینترفاز الکترولیت کاتد ، محافظ‌های شارژ بیش از حد و سازنده لایه اینترفاز الکترولیت جامد استفاده می‌شوند. این افزودنی¬ها را می¬توان با استفاده از سولفونات¬ها، سولفون¬ها، سولفیت-ها، سولفات¬ها و سایر ترکیبات دسته بندی کرد. برای کاهش سلول¬های منبسط شده و لایه لایه شدن الکترود، داشتن افزودنی¬های تشکیل دهنده لایه اینترفاز الکترولیت جامد که حداقل ترکیبات گازی را در طول شکست الکتروشیمیایی تولید می¬کنند، بسیار مطلوب است. بایندرهای اینترفاز الکترولیت کاتد به راحتی روی سطح الکترودهای مثبت اکسید می¬شوند و تشکیل پوشش¬های اینترفاز الکترولیت کاتد را تسهیل می¬کنند. فعالیت‌های ردوکس مورد نظر محافظ‌های شارژ بیش از حد باید به آنها اجازه دهد تا هر زمان که ولتاژ شارژ سلول‌های باتری از ولتاژ شارژ قطع بالایی فراتر رفت، روی الکترود مثبت اکسید شوند. چندین ماده حاوی گوگرد را می¬توان بر روی الکترود منفی کاهش داد و در الکترود مثبت اکسید شد هنگامی که به عنوان الکترولیت اضافی برای باتری های لیتیوم یون استفاده می¬شود [6-10]. از این رو، افزودنی¬های حاوی سولفور به راندمان بالا در مقابل استحکام و تثبیت لایه اینترفاز الکترولیت جامد کمک می¬کند [11-19]. این مقاله با بررسی افزودنی در باتری¬های صنعتی NCMǁGraphite بهبود عملکرد و سایر خواص مانند ایمنی را بررسی می¬کند. این بررسی، افزودنی شامل گروه¬های نیتروژن، گوگرد و فسفر انتخاب شد و سپس بر اساس عملکرد و اثرات آن‌ بر روی مواد الکترود کاتدی و آندی مقایسه و بررسی می¬شود. ابتدا حلالی متشکل از مخلوط اتیل کربنات و دی متیل کربنات با نسبت وزنی 1:1 (EC: DMC) همراه با 1 مولار نمک LiPF6 تهیه شد. این محلول به عنوان الکترولیت بدون افزودنی (شاهد) در تمامی مراحل استفاده شد. افزودنی 4،4-دی آمینودی فنیل سولفون 0.5 درصد وزنی به¬علاوه دی متیل متیل فسفونات 5 درصد (DAP) به الکترولیت اصلی اضافه شد. باتری¬ها از طریق چرخه شارژ-تخلیه گالوانوستاتیک در محدوده ولتاژ 3-4.2 ولت در دمای اتاق قرار گرفتند. هم¬چنین طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی محدوده ولتاژ ۱۰ میلی ولت و فرکانس 0.01-100 کیلوهرتز برای ارزیابی مقاومت مورد استفاده قرار گرفت. ۲۰۰ چرخه شارژ و دشارژ بر روی باتری انجام شد تا بررسی دقیق¬تری از سطح گرافیت انجام شود. هم¬چنین پراش اشعه ایکس برای ارزیابی ساختار کریستالی محصولات استفاده شد. منحنی شارژ/دشارژ مربوط به این اندازه گیری ها را نشان می دهد. در طی 100 سیکل با جریان ۰.۵، ظرفیت شارژ/دشارژ حاوی افزودنی در سیکل اول 2076.47 میلی آمپر ساعت بر گرم و در سیکل 100 دارای ظرفیت 2106.28 میلی آمپر ساعت بر گرم است. این نشان می¬دهد که سلول¬های حاوی افزودنی ظرفیت بالا و ثبات چرخه بیشتری نسبت به شاهد در 100 سیکل نشان می¬دهد دارند. این بهبود نتیجه تجزیه ترجیحی افزودنی است. اجزای لایه SEI که بین الکترودها تشکیل می¬شود احتمالاً مسئول پایداری سیکل متغیر سلول¬ها در محدوده ولتاژ 3.0-4.2 ولت هستند. به طور خاص، افزایش کارایی باتری با افزودن DAP که حداکثر ظرفیت تخلیه را دارد، با فرآیند تشکیل موفقیت آمیز یک لایه رابط الکترولیت جامد (SEI) روی آند گرافیتی مرتبط است. علاوه بر این آنالیز پراش اشعه ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترون روبشی پایداری ساختار را به خوبی تایید می¬کند.