تاثیر سرعت و چرخه شارژ و دشارژ بر روی باتری یون لیتیم مجهز شده با نمک لیتیم بیس تری فلوئورو متان سولفونیل ایمید به عنوان افزودنی الکترولیت

در این پروژه ، عملکرد الکتروشیمیایی سلول استوانه ای ۱۸۶۵۰ گرافیت/Li [Ni۰.۵Co۰.۲Mn۰.۳O۲] با نمک لیتیوم بیس (تری فلورومتان سولفونیل) ایمید به عنوان افزودنی الکترولیت مورد مطالعه قرار گرفت. اخیرا ، باتری های لیتیوم یونی به عنوان منبع تغذیه وسایل الکترونیکی و خودروها مورد استفاده قرار می گیرد. به منظور استفاده از باتری های لیتیوم یونی برای خودروها الزامات جدیدی برای مواد الکترود از جمله عملکرد سریع شارژ و دشارژ مورد نیاز است. برای دستیابی به عملکرد به این هدف، مقاومت داخلی باتری که ناشی از انتقال الکترون و یون لیتیوم امتداد الکترود می باشد باید کاهش یابد. در بین چندین فرآیند انتقال یون لیتیوم و الکترون، انتقال یون لیتیوم (بار) در مرز الکترود/الکترولیت یک فرایند اساسی واکنش شارژ-دشارژ باتری های یون لیتیوم است، با این حال، توجه کمی به مکانیسم انتقال یون لیتیوم سطحی شده است. ما به بررسی مکانیسم رشد و عملکرد لایه SEI بر روی الکترود پرداخته ایم. نتایج مطالعه نشان داد که افزودن LiTFSI به الکترولیت به دلیل افزایش مقدار LiF در لایه SEI در سطح الکترود و بهبود فیلم نسبت به سل بدون افزودنی، باعث افزایش ظرفیت و پایداری چرخه شارژ و دشارژ در سرعتهای پایین و بالا می شود. اما پس از سرعت های بالای دشارژ که موجب تغییرات خشن در ساختار لایه منفعل (SEI) نسبت به سرعت های پایین می شود نرخ برگشت پذیری، ظرفیت و پایداری ظرفیت به دلیل غلبه انتقال یون لیتیم نامناسب در فیلم کاهش می یابد. لایه SEI از دو لایه داخلی متراکم (متشکل از LiF و Li۲CO۳) و لایه خارجی متخلخل (متشکل از ترکیبات آلی و پلیمری حاصل از تجزیه حلال های الکترولیت) تشکیل شده است، در واقع، وجود مقدار بیشتر LiF در SEI که ناشی از تجزیه افزودنی LiTFSI است فرایند نشت الکترون و انتقال یون لیتیوم از لایه داخلی را کاهش می دهد، به این ترتیب از طرفی لایه داخلی به تجمع یون لیتیم بیشتری بر روی سطح خود نیاز دارد تا مقدار مورد نیاز الکترود را تامین کند و از طرفی کاهش نشت الکترون به سمت محلول الکترولیت موجب کاهش تجزیه آن شده و لایه SEI بهینه تری را ایجاد می کند و همچنین موجب مصرف مقدار کمتری یون لیتیم می شود، بنابراین در چرخه های اولیه شارژ/دشارژ، یون لیتیم بیشتری از لایه بیرونی در اختیار لایه درونی متراکم قرار می گیرد و افت ظرفیت کمتری در سلول حاوی افزودنی مشاهده می شود. اما پس از اعمال تنش سرعت بالا لایه خارجی دستخوش تغییرات بیشتری نسبت به سرعت های پایین می شود و مقدار انتقال یون از لایه خارجی به لایه داخلی کاهش یافته و یون لیتیم مورد نیاز تامین نمی شود که موجب افت ظرفیت بیشتر در سلول حاوی افزودنی می شود در صورتی که در سرعت های پایین شارژ و دشارژ حتی بعد از ۴۰۰ چرخه هم همچنان ظرفیت سلول حاوی افزودنی بیشتر است. در واقع علت شکست این افزودنی ناشی از اعمال تنش سرعت است نه چرخه طولانی مدت. همچنین نتایج EIS نشان داد که سلول مجهز به افزودنی دارای مقاومت انتقال بار کمتری پس از چرخه طولانی است یعنی این نمک به طور کلی موجب بهبود انتقال یون لیتیم در لایه SEI می شود.