[論文レビュー] Ultra-Low Temperature Li/CFx Batteries Enabled by Fast-transport and Anion-pairing Liquefied Gas Electrolytes

Yijie Yin, John Holoubek+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2022

Advanced Battery Materials and Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低融点および低粘度を特徴とするジメチルエーテルを溶媒とする液化ガス電解質を導入し、高速なイオン移動とアニオンペアリング溶媒殻構造を実現することで、Li/CFx電池における超低温度での動作を可能にした。この電解質は界面電荷移動抵抗を低減し、50 mg/cm²のCFx電極がマイナス温度でも1530 Wh/kgの性能を維持できるようにした。これにより、極端な寒冷環境下および高電流密度下での性能が顕著に向上した。

ABSTRACT

Lithium fluorinated carbon is one of the most promising chemistries for high-energy-density primary energy storage systems in applications where rechargeability is not required. Though Li/CFx demonstrates high energy density under ambient conditions, achieving such a high energy density when exposed to subzero temperatures remains a challenge, particularly under high current density. Here, we report a liquefied gas electrolyte with an anion-pair solvation structure based on dimethyl ether with a low melting point and low viscosity, leading to high ionic conductivity between a wide temperature range. Besides that, through systematic X-ray photoelectron spectroscopy integrated with transmission electron microscopy characterizations, we evaluate the interface of CFx for low-temperature performance. We conclude that the fast transport and anion-pairing solvation structure of the electrolyte bring about reduced charge transfer resistance at low temperatures, which resulted in significantly enhanced performance of Li/CFx cells. Utilizing 50 mg/cm2 loading electrodes, the Li/CFx still displayed 1530 Wh/kg at reduced temperature. This work provides insights into the electrolyte design that may overcome the operational limits of batteries in extreme environments.

研究の動機と目的

• マイナス温度下における高エネルギー密度Li/CFx電池の低性能問題を解決すること。
• 従来の電解質が超低温度下でイオン電導度と電荷移動キネティクスを維持できないという制限を克服すること。
• 極端な寒冷環境下でも安定的かつ効率的に動作する新しい電解質システムの開発。
• 高度な特性評価技術を用いて、低温度下におけるCFxの界面挙動を理解すること。
• 高電流密度下で0 °C未満の温度でも高いエネルギー密度を維持できるLi/CFx電池の実証。

提案手法

• 低融点および低粘度の特徴を有するジメチルエーテルを溶媒として用い、液化ガス電解質の設計および合成。
• イオン移動を向上させ、イオン凝集を低減するためのアニオンペアリング溶媒殻構造の設計。
• CFxにおける固体電解質界面（SEI）の低温度下での評価に、X線光電子分光法（XPS）および透過型電子顕微鏡（TEM）を適用。
• 広い温度範囲でイオン電導度および電荷移動抵抗を測定し、電解質の性能を評価。
• 50 mg/cm²のCFx正極を用いた全セルの作製により、マイナス温度下でのエネルギー密度およびレート特性を評価。
• 従来の電解質と比較することで、新規システムの優位性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液化ガス電解質に特徴的なアニオンペアリング溶媒殻構造は、超低温度下でのイオン移動および界面電荷移動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 マイナス温度下で形成されるCFx表面の固体電解質界面（SEI）は、電池性能に果たす役割は何か？
• RQ3 低粘度・低融点の電解質は、0 °C未満の温度でも高いイオン電導度を維持し、高レート特性を実現できるか？
• RQ4 新規電解質は、極端な寒冷環境下でLi/CFx電池の運動論的制限をどの程度軽減できるか？
• RQ5 高電流密度下でマイナス温度下にあっても、新規電解質を用いたLi/CFxセルの達成可能なエネルギー密度はどの程度か？

主な発見

• ジメチルエーテルを基盤とする液化ガス電解質は、低粘度および低融点の特性により、広い温度範囲で高いイオン電導度を示した。
• アニオンペアリング溶媒殻構造によりイオン凝集が低減され、イオン移動度が向上し、高速な移動キネティクスが実現された。
• XPSおよびTEM分析により、低温度下でも安定的かつイオン伝導性の高い界面がCFx表面に形成されていることが確認され、電荷移動抵抗の低減に寄与した。
• 50 mg/cm²のCFx正極を用いたLi/CFxセルは、マイナス温度下でも1530 Wh/kgの高いエネルギー密度を維持した。
• 新規電解質は、超低温度下でも高電流密度下で安定した性能を示し、従来の電解質を上回った。
• 高速なイオン移動とアニオンペアリング溶媒殻構造の併用により、低温度下におけるLi/CFx電池の運動論的制限が効果的に克服された。