[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出一种基于二甲醚的液化气体电解质，具有快速离子传输特性和阴离子对溶剂化结构，实现了锂/氟化碳电池在超低温下的稳定运行。该电解质降低了电荷转移电阻，使50 mg/cm²的CFx正极在零下温度下仍能保持1530 Wh/kg的比能，显著提升了极端低温和高电流密度下的性能。

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.

研究动机与目标

• 解决高能量密度锂/氟化碳电池在零下温度下性能差的问题。
• 克服传统电解质在超低温下维持离子电导率和电荷转移动力学能力的局限性。
• 开发一种新型电解质体系，实现锂/氟化碳电池在极端寒冷环境下的稳定高效运行。
• 利用先进表征技术理解CFx在低温下的界面行为。
• 在高电流密度下，展示锂/氟化碳电池在0 °C以下温度下的高比能保持能力。

提出的方法

• 利用熔点低、粘度低的二甲醚作为溶剂，设计并合成液化气体电解质。
• 构建阴离子对溶剂化结构，以增强离子传输并减少离子聚集。
• 采用X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）表征低温下CFx表面的固态电解质界面（SEI）。
• 在宽温度范围内测量离子电导率和电荷转移电阻，以评估电解质性能。
• 制备采用50 mg/cm² CFx正极的全电池，测试其在零下温度下的能量密度和倍率性能。
• 与传统电解质对比，验证新体系的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 液化气体电解质中的阴离子对溶剂化结构在超低温下如何影响离子传输和界面电荷转移？
• RQ2 在零下温度下，CFx表面形成的固态电解质界面（SEI）在决定电池性能方面起什么作用？
• RQ3 低粘度、低熔点的电解质是否能在0 °C以下温度下维持高离子电导率并实现锂/氟化碳电池的高倍率性能？
• RQ4 新电解质在多大程度上缓解了极端寒冷条件下阻碍锂/氟化碳电池性能的动能限制？
• RQ5 在高电流密度下，使用新电解质的锂/氟化碳电池在零下温度下的可实现比能是多少？

主要发现

• 基于二甲醚的液化气体电解质由于低粘度和低熔点，在宽温度范围内表现出高离子电导率。
• 阴离子对溶剂化结构减少了离子聚集，增强了离子迁移率，从而提升了离子传输动力学。
• XPS和TEM分析证实，低温下CFx表面形成了稳定且具有离子导电性的界面，有助于降低电荷转移电阻。
• 采用50 mg/cm² CFx正极的锂/氟化碳电池在零下温度下实现了1530 Wh/kg的比能，表现出优异的比能保持能力。
• 该电解质在超低温下高电流密度条件下仍能保持稳定性能，优于传统电解质。
• 快速离子传输与阴离子对溶剂化结构的协同作用，有效克服了锂/氟化碳电池在低温下的动力学限制。