ESM: عملی اعلی توانائی والی لتیم بیٹریوں کے لیے پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کا بلٹ ان الٹرا کنفارمل انٹرفیس

ریسرچ بیک گراؤنڈ

لیتھیم آئن بیٹریوں میں، 350 Wh Kg-1 کا ہدف حاصل کرنے کے لیے، کیتھوڈ مواد نکل سے بھرپور تہہ دار آکسائیڈ (LiNixMnyCozO2, x+y+z=1، NMCxyz کہلاتا ہے) استعمال کرتا ہے۔ توانائی کی کثافت میں اضافے کے ساتھ، LIBs کے تھرمل رن وے سے متعلق خطرات نے لوگوں کی توجہ مبذول کرائی ہے۔ مادی نقطہ نظر سے، نکل سے بھرپور مثبت الیکٹروڈ میں حفاظت کے سنگین مسائل ہوتے ہیں۔ اس کے علاوہ، بیٹری کے دیگر اجزاء، جیسے نامیاتی مائعات اور منفی الیکٹروڈ کا آکسیڈیشن/کراسسٹالک بھی تھرمل رن وے کو متحرک کر سکتا ہے، جو حفاظتی مسائل کی سب سے بڑی وجہ سمجھی جاتی ہے۔ ایک مستحکم الیکٹروڈ-الیکٹرولائٹ انٹرفیس کی اندرونِ صورت قابو پانے کے قابل تشکیل اعلی توانائی کی کثافت لیتھیم پر مبنی بیٹریوں کی اگلی نسل کے لیے بنیادی حکمت عملی ہے۔ خاص طور پر، ایک ٹھوس اور گھنے کیتھوڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیس (CEI) اعلی تھرمل استحکام غیر نامیاتی اجزاء کے ساتھ آکسیجن کے اخراج کو روک کر حفاظتی مسئلہ کو حل کر سکتا ہے۔ اب تک، CEI کیتھوڈ میں ترمیم شدہ مواد اور بیٹری کی سطح کی حفاظت پر تحقیق کا فقدان ہے۔

کامیابی کی نمائش

حال ہی میں، سنگھوا یونیورسٹی کے Feng Xuning، Wang Li، اور Ouyang Minggao نے ایک تحقیقی مقالہ شائع کیا جس کا عنوان تھا "ان بلٹ الٹرا کانفارمل انٹرفیسس ہائی سیفٹی پریکٹیکل لیتھیم بیٹریاں انرجی سٹوریج میٹریلز پر"۔ مصنف نے عملی NMC811/Gr نرم پیکڈ مکمل بیٹری کی حفاظتی کارکردگی اور متعلقہ CEI مثبت الیکٹروڈ کے تھرمل استحکام کا جائزہ لیا۔ مواد اور نرم پیک بیٹری کے درمیان تھرمل رن وے دبانے کے طریقہ کار کا جامع مطالعہ کیا گیا ہے۔ ایک غیر آتش گیر پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے، ایک NMC811/Gr پاؤچ قسم کی مکمل بیٹری تیار کی گئی۔ NMC811 کے تھرمل استحکام کو غیر نامیاتی LiF سے بھرپور CEI حفاظتی تہہ کے اندر سے تشکیل دی گئی تھی۔ LiF کا CEI فیز کی تبدیلی کی وجہ سے آکسیجن کے اخراج کو مؤثر طریقے سے کم کر سکتا ہے اور خوشنما NMC811 اور فلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کے درمیان خارجی ردعمل کو روک سکتا ہے۔

گرافک گائیڈ

تصویر 1 پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ اور روایتی الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے عملی NMC811/Gr پاؤچ قسم کی مکمل بیٹری کی تھرمل رن وے خصوصیات کا موازنہ۔ روایتی (a) EC/EMC اور (b) perfluorinated FEC/FEMC/HFE الیکٹرولائٹ پاؤچ قسم کی مکمل بیٹریوں کے ایک چکر کے بعد۔ (c) روایتی EC/EMC الیکٹرولیسس اور (d) پرفلورینیٹڈ FEC/FEMC/HFE الیکٹرولائٹ پاؤچ قسم کی مکمل بیٹری جس کی عمر 100 سائیکلوں کے بعد ہو۔

ایک چکر کے بعد روایتی الیکٹرولائٹ والی NMC811/Gr بیٹری کے لیے (شکل 1a)، T2 202.5°C پر ہے۔ T2 اس وقت ہوتا ہے جب اوپن سرکٹ وولٹیج گر ​​جاتا ہے۔ تاہم، پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے بیٹری کا T2 220.2°C (شکل 1b) تک پہنچ جاتا ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ اپنے اعلی تھرمل استحکام کی وجہ سے بیٹری کی موروثی تھرمل حفاظت کو ایک خاص حد تک بہتر بنا سکتا ہے۔ جیسے جیسے بیٹری کی عمر ہوتی ہے، روایتی الیکٹرولائٹ بیٹری کی T2 قدر 195.2 °C (شکل 1c) تک گر جاتی ہے۔ تاہم، پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹس (شکل 2d) کا استعمال کرتے ہوئے عمر بڑھنے کا عمل بیٹری کے T1 کو متاثر نہیں کرتا ہے۔ اس کے علاوہ، TR کے دوران روایتی الیکٹرولائٹ استعمال کرنے والی بیٹری کی زیادہ سے زیادہ dT/dt ویلیو 113°C s-1 تک زیادہ ہے، جب کہ پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ استعمال کرنے والی بیٹری صرف 32°C s-1 ہے۔ عمر بڑھنے والی بیٹریوں کے T2 میں فرق کو خوشنما NMC811 کے موروثی تھرمل استحکام سے منسوب کیا جا سکتا ہے، جو روایتی الیکٹرولائٹس کے تحت کم ہوتی ہے، لیکن پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹس کے تحت مؤثر طریقے سے برقرار رکھی جا سکتی ہے۔

شکل 2 ڈیلیتھیشن NMC811 مثبت الیکٹروڈ اور NMC811/Gr بیٹری مکسچر کا تھرمل استحکام۔ (A,b) C-NMC811 اور F-NMC811 سنکروٹرون ہائی انرجی XRD کے کونٹور نقشے اور اس سے متعلقہ (003) ڈفریکشن چوٹی کی تبدیلیاں۔ (c) C-NMC811 اور F-NMC811 کے مثبت الیکٹروڈ کی حرارت اور آکسیجن کی رہائی کا برتاؤ۔ (d) ڈیلائیڈ پازیٹو الیکٹروڈ، لیتھیٹیڈ نیگیٹو الیکٹروڈ، اور الیکٹرولائٹ کے نمونے کے مرکب کا DSC وکر۔

اعداد و شمار 2a اور b روایتی الیکٹرولائٹس کی موجودگی میں اور کمرے کے درجہ حرارت سے 81 ° C تک کی مدت کے دوران مختلف CEI تہوں کے ساتھ خوش NMC600 کے HEXRD منحنی خطوط کو ظاہر کرتے ہیں۔ نتائج واضح طور پر ظاہر کرتے ہیں کہ الیکٹرولائٹ کی موجودگی میں، ایک مضبوط CEI تہہ لیتھیم جمع کیتھوڈ کے تھرمل استحکام کے لیے سازگار ہے۔ جیسا کہ شکل 2c میں دکھایا گیا ہے، ایک واحد F-NMC811 نے 233.8°C پر ایک سست خارجی چوٹی دکھائی، جب کہ C-NMC811 ایکزوتھرمک چوٹی 227.3°C پر ظاہر ہوئی۔ اس کے علاوہ، C-NMC811 کے مرحلے کی منتقلی کی وجہ سے آکسیجن کے اخراج کی شدت اور شرح F-NMC811 کی نسبت زیادہ شدید ہے، مزید اس بات کی تصدیق کرتی ہے کہ مضبوط CEI F-NMC811 کے موروثی تھرمل استحکام کو بہتر بناتا ہے۔ Figure 2d خوشنما NMC811 اور دیگر متعلقہ بیٹری کے اجزاء کے مرکب پر DSC ٹیسٹ کرتا ہے۔ روایتی الیکٹرولائٹس کے لیے، 1 اور 100 سائیکلوں کے ساتھ نمونوں کی exothermic چوٹیوں سے ظاہر ہوتا ہے کہ روایتی انٹرفیس کی عمر بڑھنے سے تھرمل استحکام کم ہو جائے گا۔ اس کے برعکس، پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کے لیے، 1 اور 100 سائیکلوں کے بعد کی تصویریں TR ٹرگر درجہ حرارت (T2) کے مطابق، وسیع اور ہلکی خارجی چوٹیوں کو دکھاتی ہیں۔ نتائج (شکل 1) مطابقت رکھتے ہیں، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ مضبوط CEI بوڑھے اور خوش NMC811 اور بیٹری کے دیگر اجزاء کے تھرمل استحکام کو مؤثر طریقے سے بہتر بنا سکتا ہے۔

تصویر 3 پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ میں خوش NMC811 مثبت الیکٹروڈ کی خصوصیت۔ (ab) عمر رسیدہ F-NMC811 مثبت الیکٹروڈ اور متعلقہ EDS میپنگ کی کراس سیکشنل SEM تصاویر۔ (ch) عنصر کی تقسیم۔ (ij) ورچوئل xy پر عمر رسیدہ F-NMC811 مثبت الیکٹروڈ کی کراس سیکشنل SEM تصویر۔ (km) 3D FIB-SEM ڈھانچے کی تعمیر نو اور F عناصر کی مقامی تقسیم۔

فلورینیٹڈ CEI کی قابل کنٹرول تشکیل کی تصدیق کرنے کے لیے، حقیقی سافٹ پیک بیٹری میں برآمد ہونے والے عمر رسیدہ NMC811 مثبت الیکٹروڈ کی کراس سیکشنل مورفولوجی اور عنصر کی تقسیم FIB-SEM (شکل 3 ah) کی خصوصیت تھی۔ پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ میں، F-NMC811 کی سطح پر یکساں فلورینیٹڈ CEI پرت بنتی ہے۔ اس کے برعکس، روایتی الیکٹرولائٹ میں C-NMC811 میں F کی کمی ہے اور یہ ایک ناہموار CEI پرت بناتی ہے۔ F-NMC811 (شکل 3h) کے کراس سیکشن پر F عنصر کا مواد C-NMC811 سے زیادہ ہے، جو مزید یہ ثابت کرتا ہے کہ غیر نامیاتی فلورینیٹڈ میسوفیس کی ان سیٹو تشکیل خوشنما NMC811 کے استحکام کو برقرار رکھنے کی کلید ہے۔ . FIB-SEM اور EDS میپنگ کی مدد سے، جیسا کہ شکل 3m میں دکھایا گیا ہے، اس نے F-NMC3 کی سطح پر 811D ماڈل میں بہت سے F عناصر کا مشاہدہ کیا۔

شکل 4a) اصل اور خوش NMC811 مثبت الیکٹروڈ کی سطح پر عنصر کی گہرائی کی تقسیم۔ (ac) FIB-TOF-SIMS NMC811 کے مثبت الیکٹروڈ میں F, O، اور Li عناصر کی تقسیم کو پھٹ رہا ہے۔ (df) NMC811 کے F, O، اور Li عناصر کی سطحی شکل اور گہرائی کی تقسیم۔

FIB-TOF-SEM نے NMC811 (شکل 4) کے مثبت الیکٹروڈ کی سطح پر عناصر کی گہرائی کی تقسیم کا مزید انکشاف کیا۔ اصل اور C-NMC811 نمونوں کے مقابلے میں، F سگنل میں نمایاں اضافہ F-NMC811 (شکل 4a) کی اوپری سطح کی تہہ میں پایا گیا۔ اس کے علاوہ، سطح پر کمزور O اور ہائی Li سگنلز F- اور Li سے بھرپور CEI تہوں کی تشکیل کی نشاندہی کرتے ہیں (شکل 4b، c)۔ ان تمام نتائج نے تصدیق کی کہ F-NMC811 میں LiF سے بھرپور CEI پرت ہے۔ C-NMC811 کے CEI کے مقابلے میں، F-NMC811 کی CEI پرت زیادہ F اور Li عناصر پر مشتمل ہے۔ اس کے علاوہ، جیسا کہ FIGS میں دکھایا گیا ہے۔ 4d-f، آئن اینچنگ ڈیپتھ کے نقطہ نظر سے، اصل NMC811 کی ساخت خوشنما NMC811 سے زیادہ مضبوط ہے۔ عمر رسیدہ F-NMC811 کی اینچ گہرائی C-NMC811 سے چھوٹی ہے، جس کا مطلب ہے کہ F-NMC811 بہترین ساختی استحکام رکھتا ہے۔

شکل 5 NMC811 کے مثبت الیکٹروڈ کی سطح پر CEI کیمیائی ساخت۔ (a) NMC811 مثبت الیکٹروڈ CEI کا XPS سپیکٹرم۔ (bc) XPS C1s اور F1s سپیکٹرا اصل اور خوش NMC811 مثبت الیکٹروڈ CEI کا۔ (d) کریو ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپ: F-NMC811 کی عنصر کی تقسیم۔ (e) F-NMC81 پر تشکیل شدہ CEI کی منجمد TEM تصویر۔ (fg) C-NMC811 کی STEM-HAADF اور STEM-ABF تصاویر۔ (hi) F-NMC811 کی STEM-HAADF اور STEM-ABF تصاویر۔

انہوں نے NMC811 (شکل 5) میں CEI کی کیمیائی ساخت کو نمایاں کرنے کے لیے XPS کا استعمال کیا۔ اصل C-NMC811 کے برعکس، F-NMC811 کا CEI ایک بڑا F اور Li لیکن معمولی C (شکل 5a) پر مشتمل ہے۔ سی پرجاتیوں کی کمی اس بات کی نشاندہی کرتی ہے کہ LiF سے بھرپور CEI الیکٹرولائٹس (شکل 811b) کے ساتھ مسلسل ضمنی رد عمل کو کم کرکے F-NMC5 کی حفاظت کرسکتا ہے۔ اس کے علاوہ، CO اور C=O کی چھوٹی مقدار اس بات کی نشاندہی کرتی ہے کہ F-NMC811 کا سولوولیسس محدود ہے۔ XPS (شکل 1c) کے F5s سپیکٹرم میں، F-NMC811 نے ایک طاقتور LiF سگنل دکھایا، جس سے اس بات کی تصدیق ہوتی ہے کہ CEI فلورینیٹڈ سالوینٹس سے حاصل کردہ LiF کی ایک بڑی مقدار پر مشتمل ہے۔ F-NMC811 ذرات پر مقامی علاقے میں F, O, Ni, Co، اور Mn عناصر کی نقشہ سازی ظاہر کرتی ہے کہ تفصیلات مجموعی طور پر یکساں طور پر تقسیم کی گئی ہیں (شکل 5d)۔ شکل 5e میں کم درجہ حرارت والی TEM تصویر سے پتہ چلتا ہے کہ CEI NMC811 مثبت الیکٹروڈ کو یکساں طور پر ڈھانپنے کے لیے حفاظتی تہہ کے طور پر کام کر سکتا ہے۔ انٹرفیس کے ساختی ارتقاء کی مزید تصدیق کرنے کے لیے، ہائی اینگل سرکلر ڈارک فیلڈ اسکیننگ ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپی (HAADF-STEM اور سرکلر برائٹ فیلڈ اسکیننگ ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپی (ABF-STEM) کے تجربات کیے گئے۔ -NMC811)، گردش کرنے والے مثبت الیکٹروڈ کی سطح میں ایک شدید مرحلے میں تبدیلی آئی ہے، اور مثبت الیکٹروڈ (شکل 5f) کی سطح پر ایک بے ترتیب پتھری نمک کا مرحلہ جمع ہو گیا ہے۔ پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کے لیے، F-NMC811 کی سطح مثبت الیکٹروڈ ایک تہہ دار ڈھانچہ (شکل 5h) کو برقرار رکھتا ہے، جو نقصان دہ ہونے کی نشاندہی کرتا ہے مرحلہ مؤثر طریقے سے دبایا جاتا ہے۔ اس کے علاوہ، F-NMC811 (شکل 5i-g) کی سطح پر یکساں CEI پرت دیکھی گئی۔ یہ نتائج مزید یکسانیت کو ثابت کرتے ہیں۔ پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ میں NMC811 کی مثبت الیکٹروڈ سطح پر CEI پرت۔

شکل 6a) NMC811 مثبت الیکٹروڈ کی سطح پر انٹرفیس مرحلے کا TOF-SIMS سپیکٹرم۔ (ac) NMC811 کے مثبت الیکٹروڈ پر مخصوص دوسرے آئن کے ٹکڑوں کا گہرائی سے تجزیہ۔ (df) اصل، C-NMC180 اور F-NMC811 پر 811 سیکنڈ تک پھٹنے کے بعد دوسرے آئن کے ٹکڑے کا TOF-SIMS کیمیائی سپیکٹرم۔

C2F-ٹکڑوں کو عام طور پر CEI کا نامیاتی مادہ سمجھا جاتا ہے، اور LiF2- اور PO2-ٹکڑوں کو عام طور پر غیر نامیاتی پرجاتیوں کے طور پر شمار کیا جاتا ہے۔ تجربے میں LiF2- اور PO2- کے نمایاں طور پر بڑھے ہوئے سگنلز حاصل کیے گئے تھے (شکل 6a، b)، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ F-NMC811 کی CEI پرت غیر نامیاتی انواع کی ایک بڑی تعداد پر مشتمل ہے۔ اس کے برعکس، F-NMC2 کا C811F-سگنل C-NMC811 (شکل 6c) سے کمزور ہے، جس کا مطلب ہے کہ F-NMC811 کی CEI پرت میں کم نازک نامیاتی انواع ہیں۔ مزید تحقیق سے پتا چلا (شکل 6d-f) کہ F-NMC811 کے CEI میں غیر نامیاتی انواع زیادہ ہیں، جبکہ C-NMC811 میں غیر نامیاتی انواع کم ہیں۔ یہ تمام نتائج perfluorinated الیکٹرولائٹ میں ٹھوس غیر نامیاتی سے بھرپور CEI پرت کی تشکیل کو ظاہر کرتے ہیں۔ روایتی الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے NMC811/Gr سافٹ پیک بیٹری کے مقابلے میں، پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے سافٹ پیک بیٹری کی حفاظت میں بہتری کو اس سے منسوب کیا جا سکتا ہے: سب سے پہلے، غیر نامیاتی LiF سے بھرپور CEI تہہ کی اندرونی ساخت فائدہ مند ہے۔ خوشنما NMC811 مثبت الیکٹروڈ کی موروثی تھرمل استحکام مرحلے کی منتقلی کی وجہ سے جالی آکسیجن کے اخراج کو کم کرتی ہے۔ دوم، ٹھوس غیر نامیاتی CEI حفاظتی تہہ مزید انتہائی رد عمل والے ڈیلیتھیئشن NMC811 کو الیکٹرولائٹ سے رابطہ کرنے سے روکتی ہے، جس سے ایکزتھرمک سائیڈ ری ایکشن کم ہوتا ہے۔ تیسرا، پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ اعلی درجہ حرارت پر اعلی تھرمل استحکام رکھتا ہے۔

نتیجہ اور آؤٹ لک

اس کام نے ایک پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے ایک عملی Gr/NMC811 پاؤچ قسم کی مکمل بیٹری کی ترقی کی اطلاع دی، جس نے اس کی حفاظت کی کارکردگی کو نمایاں طور پر بہتر کیا۔ اندرونی تھرمل استحکام۔ TR روکنے کے طریقہ کار اور مواد اور بیٹری کی سطحوں کے درمیان ارتباط کا گہرائی سے مطالعہ۔ عمر بڑھنے کا عمل پورے طوفان کے دوران پرفلورینیٹڈ الیکٹرولائٹ بیٹری کے TR ٹرگر درجہ حرارت (T2) کو متاثر نہیں کرتا، جس کے روایتی الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے عمر بڑھنے والی بیٹری پر واضح فوائد ہیں۔ اس کے علاوہ، exothermic چوٹی TR نتائج کے ساتھ مطابقت رکھتی ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ مضبوط CEI لیتھیم فری مثبت الیکٹروڈ اور بیٹری کے دیگر اجزاء کے تھرمل استحکام کے لیے سازگار ہے۔ ان نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ مستحکم CEI پرت کا اندرونی کنٹرول ڈیزائن محفوظ اعلی توانائی والی لتیم بیٹریوں کے عملی اطلاق کے لیے اہم رہنمائی اہمیت رکھتا ہے۔

ادبی معلومات

ان بلٹ الٹرا کانفارمل انٹرفیسز ہائی سیفٹی پریکٹیکل لیتھیم بیٹریز، انرجی سٹوریج میٹریلز، 2021 کو فعال کرتے ہیں۔