Meningkatkan Konduktivitas Elektrolit Polimer Padat dengan Reformasi Butir
Abstrak
Elektrolit polimer padat (SPE) berbasis polietilen oksida (PEO) dianggap memiliki prospek aplikasi yang bagus dalam baterai li-ion semua-padat. Namun, penerapan SPE berbasis PEO terhalang oleh konduktivitas ionik yang relatif rendah, yang sangat bergantung pada kristalinitas dan kepadatan batas butirnya. Dalam karya ini, metode press-rolling yang sederhana dan efektif diterapkan untuk mengurangi kristalinitas SPE berbasis PEO untuk pertama kalinya. Dengan SPE berbasis PEO yang digulung, LiFePO4 /SPE/Li baterai li-ion all-solid menghadirkan kapasitas spesifik isi ulang yang superior sebesar 162,6 mAh g
−1
dengan celah tegangan pelepasan muatan 60 mV pada rapat arus 0,2 C dengan tingkat peluruhan kapasitas yang jauh lebih rendah. Peningkatan sifat elektrokimia dapat dikaitkan dengan metode pengerolan tekan, yang menghasilkan konduktivitas dua kali lipat dan energi aktivasi yang berkurang dibandingkan dengan elektrolit yang dibuat dengan metode tuang tradisional. Pekerjaan saat ini memberikan metode reformasi butir yang efektif dan mudah digunakan untuk SPE, layak untuk aplikasi masa depan.
Pengantar
Karena kepadatan energi yang tinggi dan kinerja keselamatan yang sangat baik, baterai li-ion solid-state secara luas dianggap sebagai sistem yang menjanjikan untuk penyimpanan energi elektrokimia yang dapat diisi ulang generasi berikutnya [1,2,3,4]. Untuk mencapai baterai li-ion all-solid-state berkinerja tinggi, elektrolit solid-state harus memiliki konduktivitas ionik tinggi yang memuaskan, stabilitas mekanik/elektrokimia yang baik, dan antarmuka elektroda-elektrolit yang memadai [2,3,4].
Elektrolit polimer padat (SPE) berbasis polietilen oksida (PEO) memiliki prospek aplikasi yang bagus karena fleksibilitasnya yang baik, kompatibilitas yang baik dari logam litium, proses yang mudah, dan biaya yang rendah [5]. Selain baterai li-ion padat, SPE berbasis PEO juga memiliki prospek aplikasi yang luas di berbagai bidang seperti baterai Mg-ion dan baterai Li-S [6,7,8]. Namun, konduktivitas yang rendah sangat menghambat penerapan SPE berbasis PEO:elektrolit PEO menunjukkan konduktivitas yang berkisar dari 10
−8
sampai 10
−6
S cm
−1
pada suhu kamar, dan konduktivitas yang rendah akan meningkatkan polarisasi internal baterai, dan menurunkan kapasitas discharge-charge dan efisiensi energi [9,10,11,12]. Dalam SPE berbasis PEO, li-ion membentuk ikatan koordinasi dengan oksigen di PEO dan bermigrasi melalui koordinasi dan disosiasi berkelanjutan dengan atom oksigen. Oleh karena itu, mobilitas li-ion terutama tergantung pada pergerakan segmen rantai polimer pada batas butir dan wilayah fase amorf, dan konduktivitas ion melalui batas butir dan wilayah fase amorf jauh lebih tinggi daripada melalui lamela kristal. .
Untuk mengurangi kristalinitas PEO dan meningkatkan konduktivitas SPE, berbagai pendekatan telah dikembangkan dan diterapkan, seperti pengisian dan pencangkokan. Filler berukuran nano telah banyak digunakan pada SPE berbasis PEO, termasuk Al2 berukuran nano O3 , TiO2 , SiO2 , Li0,3 3La0,557 TiO3 , dan Li6.4 La3 Zr1.4 Ta0,6 O12 [12,13,14,15,16,17]. Pengisi berukuran nano ini dapat menghambat kristalisasi PEO dan mendorong pembentukan batas butir dan daerah amorf. Selain itu, beberapa pengisi konduktivitas ionik yang tinggi juga dapat menyediakan jalur transpor ion tambahan untuk transpor li-ion [13,14,15]. Grafting juga mengurangi kristalinitas SPE berbasis PEO. Sebagai contoh, PEO telah dicangkokkan pada tulang punggung poli(hidroksilstirena) serta kopolimer blok dengan polistirena. Makromolekul yang dicapai sangat menekan kecenderungan rantai PEO untuk pembentukan kristal kompleks dan dengan demikian meningkatkan konduktivitas ionik SEP [18].
Press rolling adalah teknik reformasi normal untuk pemrosesan logam [19,20,21]. Dengan menerapkan gaya eksternal pada permukaan logam, pengerolan tekan dapat menghancurkan dan menghaluskan butiran, serta meningkatkan proporsi batas butir dan kekerasan logam [22, 23]. Karena prosesnya yang sederhana, biaya rendah, efisiensi tinggi, dan efek penyempurnaan butir yang jelas, metode pengerolan tekan banyak digunakan untuk membuat sampel lembaran atau pelat curah besar. Karena pengerolan tekan dapat memecah butir dan meningkatkan batas butir dan fase amorf, ini berpotensi diterapkan pada SPE berbasis PEO untuk mengurangi kristalinitas elektrolit dan meningkatkan konduktivitas. Dalam karya ini, kami melaporkan rute pers-rolling yang sederhana dan mudah untuk menyiapkan elektrolit solid-state berbasis PEO dengan konduktivitas ion tinggi untuk baterai li-ion solid-state. Metode baru ini memiliki beberapa fitur berikut:(i) setelah perlakuan penggulungan, spherulit dari elektrolit polimer dihancurkan dan dibentuk kembali, menghasilkan penurunan kristalinitas dan peningkatan dua kali lipat dalam konduktivitas dan (ii) dengan kristalinitas rendah, SPE berbasis PEO dapat memberikan lebih banyak jalur transportasi untuk li-ion ke keseimbangan distribusi arus pada permukaan lithium untuk mencegah pertumbuhan dendrit. Selain itu, metode press-rolling untuk membentuk SPE berbasis PEO yang diusulkan dalam pekerjaan ini sangat mudah.
Metode dan Karakterisasi
Persiapan Elektrolit Polimer Padat
Bahan kimia kelas analitik polietilen oksida (PEO, Mw =600.000), aluminium oksida berukuran nano (Al2 O3 , d 20 nm), garam lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide (LiTFSI), dan asetonitril dibeli dari Aladdin, Cina, dan digunakan saat diterima.
Elektrolit polimer padat asli dibuat dengan metode cor sederhana:PEO, Al2 O3, dan LiTFSI dicampurkan ke dalam asetonitril selama 24 h dengan rasio molekul EO/Li 16/1 dan PEO/Al2 O3 perbandingan berat 90/10, kemudian suspensi putih yang diperoleh dicetak ke dalam cetakan polytetrafluoroethylene dan dikeringkan dalam N2 kering mengalir pada suhu kamar selama 24 h. Elektrolit transparan yang dihasilkan diberi nama PAL-C dan kemudian dipindahkan ke pengering untuk pengawetan. Untuk menyiapkan elektrolit PAL-R, elektrolit polimer padat PAL-C yang telah disiapkan dirol dingin dalam roller press di bawah pemuatan garis 150 N mm
−1
. Untuk menghilangkan pengaruh ketebalan elektrolit pada kinerja, ketebalan setiap elektrolit dikontrol menjadi ~ 135 μm.
Persiapan Elektroda
Elektroda positif disiapkan melalui metode doctor-blade konvensional dengan LiFePO4 (LFP, BTR New Energy Material Ltd., China), Acetylene black (AB), PEO, dan rasio massa LiTFSI 7:1:1.4:0.6. PEO dan LiTFSI pertama-tama dilarutkan sepenuhnya dalam asetonitril dan kemudian LFP dan AB ditambahkan ke dalam larutan transparan yang diperoleh. Bubur yang seragam diperoleh setelah pengadukan magnetis campuran selama 24 jam kemudian dilapisi pada aluminium foil melalui metode doctor-blade konvensional. Elektroda kemudian dikeringkan pada suhu 80 °C selama 12 h dan akhirnya dipotong menjadi cakram bundar dengan diameter 12 mm. Pemuatan massa bahan aktif dari elektroda LFP yang disiapkan dikontrol menjadi ~ 1,5 mg cm
−2
.
Karakterisasi Elektrolit
Morfologi butir elektrolit PAL-C dan PAL-R diperoleh dengan memindai mikroskop elektron (SEM, JEOL-7500F). Kristalinitas dianalisis dengan sistem difraksi sinar-X (XRD, model PW1825) menggunakan sumber Cu-Kα yang beroperasi pada 40 keV. Pengukuran kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) diuji pada Instrumen TA (Q5000IR) dengan laju pemanasan 5 °C min-1 dari 70 hingga 10 °C di bawah N2 suasana. Rasio tegangan terhadap regangan dievaluasi oleh kurva tegangan-regangan dan kekuatan tarik diambil pada mesin uji tarik (CMT6104, Cina) sebagai nilai tegangan pada kurva maksimum.
Kinerja Elektrokimia Elektrolit Padat Polimer Berbasis PEO
Elektrolit padat polimer hasil sintesis dipotong menjadi piringan berdiameter 16,5 mm untuk uji kinerja elektrokimia. Konduktivitas ionik elektrolit polimer padat diukur dalam sel CR2032 dengan mengapit elektrolit padat di antara dua lembaran baja tahan karat (SS) yang dipoles (d =14,0 mm). Konduktivitas ionik diperoleh pada sel SS/SPE/SS dengan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) pada stasiun elektrokimia CHI660E dengan rentang frekuensi 1 hingga 100 mHz pada suhu 25 hingga 65 °C. Efek penghambatan SPE berbasis PEO pada pertumbuhan dendrit lithium dilakukan di sel simetri Li/SPE/Li pada sistem pengujian Neware (Neware, Cina) di bawah kerapatan arus muatan-pengosongan 0,1, 0,2, dan 0,3 mA cm
−2
pada 60 °C, masing-masing. Nomor transferensi li-ion (tLi+ ) dari elektrolit yang berbeda telah dievaluasi dengan pengukuran kombinasi impedansi AC dan polarisasi DC menggunakan metode yang dijelaskan oleh Evans et al. [21]. Arus polarisasi untuk sel Li/SPE/Li simetris (termasuk awal (Io ) dan kondisi mapan (Is ) nilai arus) di bawah potensi polarisasi kecil (ΔV) pada 10 mV dicatat. Sementara itu, nilai awal dan keadaan tunak dari tahanan antarmuka Li/elektrolit (R0 dan Rs ) diperiksa dengan pengukuran impedansi sebelum dan sesudah polarisasi DC. tLi+ dihitung dengan persamaan Bruce-Vincent-Evans:
Performa baterai elektrolit polimer padat diuji dalam baterai li-ion all-solid-state dengan katoda LFP yang disiapkan, SPE berbasis PEO, dan anoda logam Li. Baterai dirakit dalam glovebox berisi argon (DELLIX, China, air dan oksigen 0,1 ppm) tanpa elektrolit cair lainnya. Uji pelepasan muatan galvanostatik dilakukan pada sistem siklus baterai pada rapat arus 0,1 C (1 C =170 mA g
−1
) dengan rentang tegangan 2,0 hingga 3,75 V. Sebelum proses charge-discharge, resistansi transfer muatan diukur dengan electrochemical impedance spectra (EIS) yang dioperasikan dengan rentang frekuensi 100 kHz hingga 0,1 Hz dan amplitudo tegangan AC sebesar 5 mV. Tingkat dan kinerja bersepeda diperoleh dari 0,1 C ke 1 C dan 0,5 C , masing-masing. Semua pengujian kinerja baterai yang disebutkan di atas dilakukan pada suhu 60 °C pada sistem pengujian Newware (Neware, China).
Hasil dan Diskusi
Gambar SEM dari elektrolit yang diperoleh secara langsung mengungkapkan ukuran butir dan distribusi batas butir dari elektrolit as-prepared (PAL-C) dan elektrolit gulung (PAL-R). Elektrolit PAL-C menunjukkan struktur polikristalin sferulit yang kompak dengan diameter sferulit 50 μm (Gbr. 1a dan S1a). Untuk SPE berbasis PEO, li-ion diperkirakan terutama diangkut melalui batas butir dan fase amorf. Oleh karena itu, PAL-C SPE berbutir besar yang diperoleh dengan pengecoran tidak menguntungkan untuk pengangkutan li-ion dan membatasi konduktivitas elektrolit. Perlakuan penggulungan dapat memecahkan butiran elektrolit, yang secara signifikan dapat mengurangi kristalinitas dan meningkatkan jalur transportasi li-ion. Setelah press rolling, spherulit besar menghilang dan elektrolit menunjukkan struktur yang relatif homogen untuk PAL-R (Gbr. 1b dan S1b). Struktur homogen yang seragam ini dianggap memiliki keunggulan nyata dalam meningkatkan konduktivitas SPE.
Karakterisasi material dari SPES yang berbeda:a , b Gambar SEM butir PEO dalam SPE sebelumnya (a ) dan setelah (b ) tekan bergulir; c Pola XRD untuk SPE yang berbeda (inset:puncak XRD yang diperbesar pada 19,0°); d profil DSC; e konduktivitas ionik; dan f kurva tegangan-regangan PAL-C dan PAL-R SPEs
Untuk menganalisis lebih lanjut perubahan kristalinitas sebelum dan sesudah digulung, dilakukan uji XRD dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 1c. Puncak difraksi elektrolit PAL-C pada 19,0° dan 23,2° tajam dan intens, menunjukkan sifat kristalin yang tinggi [22, 23]. Sebagai perbandingan, pola difraksi PAL-R menunjukkan beberapa puncak yang lebar dan lemah, menunjukkan bahwa kristalinitas PAL-R sangat berkurang setelah pengepresan. Selain itu, puncak XRD utama PEO pada 19,0° juga ditandai dengan perubahan signifikan pada lebar penuh pada setengah maksimum (0,216 untuk PAL-C dan 0,323 untuk PAL-R), yang menyiratkan bahwa fase amorf dalam elektrolit telah meningkat. Penurunan kristalinitas diyakini memiliki efek signifikan pada peningkatan konduktivitas.
Profil DSC elektrolit PAL-C dan PAL-R diuji dan ditunjukkan pada Gambar. 1d, yang mengungkapkan suhu transisi gelas (Tg ) perbedaan antara dua elektrolit. Hasilnya menunjukkan bahwa Tg PAL-R adalah 49,17 °C, lebih rendah dari PAL-C (− 46,78 °C). Hasil ini menunjukkan bahwa pada elektrolit PAL-R, pergerakan segmen polimer dapat terjadi pada suhu yang lebih rendah, yang mengarah pada konduktivitas ionik yang lebih tinggi daripada elektrolit PAL-C.
Konduktivitas ion dari PAL-C dan PAL-R SPE dihitung dengan persamaan berikut:
$$ \sigma =L/ RS $$ (2)
dimana S , L , dan R mewakili area geometris elektroda pemblokiran baja tahan karat, ketebalan elektrolit, dan resistansi massal sampel yang diperoleh dari plot impedansi, masing-masing. Spektrum impedansi elektrolit polimer padat PAL-C dan PAL-R pada suhu yang berbeda diuji dan ditunjukkan pada Gambar. S2. Gambar 1 c menunjukkan ketergantungan suhu dari konduktivitas ionik yang dihitung dari elektrolit PAL-C dan PAL-R. Elektrolit PAL-R yang disiapkan mencapai konduktivitas ionik 7,58 × 10
−5
S cm
−1
pada 25 °C dan 1,03 × 10
−3
S cm
−1
pada 60 °C, yang dua kali lebih tinggi dari elektrolit PAL-C (3,58 × 10
−5
S cm
−1
pada 25 °C dan 7,43 × 10
−4
S cm
−1
pada 60 °C) dan lebih baik daripada SPE berbasis PEO yang disiapkan melalui metode lain [14, 24, 25]. Peningkatan konduktivitas li-ion dikaitkan dengan pengurangan kristalinitas SPE berbasis PEO setelah proses pengepresan dan diharapkan menghasilkan kinerja baterai yang baik. Hubungan antara log σ dan 1000/T dari PAL-C dan PAL-R SPE mengungkapkan bahwa ketergantungan suhu konduktivitas mengikuti persamaan empiris Vogel-Tammann-Fulcher (VTF) [10, 16, 26, 27]:
dimana σ , Ea , σ0 , T , dan R masing-masing mewakili konduktivitas ionik, energi aktivasi, faktor pra-eksponensial, faktor suhu, dan konstanta gas ideal. Ea PAL-C dan PAL-R dihitung menggunakan persamaan VTF (Gbr. 1e), dan hasilnya menunjukkan nilai pas Ea untuk PAL-R adalah 5.0 × 10
−2
eV, yang jauh lebih kecil daripada PAL-C (5,8 × 10
−2
eV). E . yang lebih rendah a menunjukkan bahwa pergerakan li-ion dalam elektrolit PAL-R membutuhkan lebih sedikit energi dibandingkan dengan elektrolit PAL-C, yang menunjukkan konduktivitas yang lebih tinggi.
Sifat mekanik SPE berhubungan langsung dengan efek penghalangnya terhadap lithium dendrit. Gambar 1 f menunjukkan hasil uji tegangan-regangan PAL-C dan PAL-R SPE. Daktilitas PAL-R SPE mencapai 1990%, yang jauh lebih tinggi dari PAL-C SPE (1470%). Daktilitas PAL-R SPE yang diperkuat ini akan secara signifikan meningkatkan toleransi terhadap penetrasi dendrit dan menghambat korsleting pada baterai. Jendela elektrokimia dari dua elektrolit polimer padat yang berbeda telah diuji dengan metode voltametri sapuan linier dan hasilnya ditunjukkan pada gambar S2. Tegangan dekomposisi kedua elektrolit diuji setinggi 5,8 V, menunjukkan bahwa stabilitas elektrolit polimer padat tidak berubah setelah pengepresan. Densitas nyata kedua elektrolit diperoleh dengan menggunakan metode drainase Archimedes dengan media minyak tanah, dan densitas PAL-C dan PAL-R dihitung sebesar 1,38 ± 0,02 g cm
−3
. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perbedaan konduktivitas yang dicapai kedua elektrolit ini berasal dari perbedaan batas butir daripada perubahan densitas.
Efek penghambatan kedua SPE pada pertumbuhan dendrit lithium diuji dengan sel simetris Li/SPE/Li. Sebelum hasil pengujian, spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan untuk menganalisis sifat antarmuka Li-SPE dari sel yang berbeda dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 2a. Plot EIS dilengkapi dengan mode sederhana yang terdiri dari resistansi ohmik (RΩ ), resistansi antarmuka (Rf ), resistansi transfer muatan (Rct ), elemen fase konstan (CPE1 dan 2), dan resistansi difusi Warburg (Wo) [28, 29]. Hasil simulasi RΩ , Rf , dan Rct pada baterai yang menggunakan elektrolit PAL-R dihitung masing-masing sebesar 19,12, 5,72, dan 17,65 Ω, yang lebih kecil dibandingkan baterai yang menggunakan elektrolit PLA-C (21,83, 5,99, dan 21,77 Ω). Penurunan resistensi larutan (RΩ ) dan resistansi antarmuka (Rf ) dapat dikaitkan dengan dua alasan:(i) setelah rolling press, lebih banyak batas butir dibuat dalam elektrolit PAL-R, yang mengarah ke konduktivitas yang lebih tinggi dan resistansi larutan yang lebih rendah. (ii) Permukaan elektrolit yang relatif halus dan batas butir yang meningkat bermanfaat untuk meningkatkan kontak permukaan antara elektrolit dan logam litium, yang mengarah pada resistansi larutan dan resistansi antarmuka yang lebih rendah. Penurunan resistansi larutan dan peningkatan koneksi antarmuka menyediakan lebih banyak jalur transpor li-ion dan antarmuka reaksi untuk reaksi elektrokimia, yang pada akhirnya mengarah pada pengurangan resistansi transfer muatan (Rct ). Setelah uji EIS awal, tegangan 10-mV DC diterapkan ke sel simetris Li/SPE/Li untuk menyelidiki nomor transferensi li-ion dalam SPE yang berbeda [30, 31]. Berdasarkan kurva arus-waktu (Gbr. 2b), impedansi sebelum dan sesudah polarisasi (Gbr. 2a dan S3), bilangan transferensi li-ion untuk PAL-R SPE dihitung menjadi 0,24, yang lebih tinggi dari nilai PAL-C SPE (0,16). Peningkatan ini dapat dikaitkan dengan pengurangan fase kristalinitas, yang melepaskan lebih banyak ion li untuk transportasi ion. Setelah uji EIS, sel simetris Li/PAL-C/Li dan Li/PAL-R/Li diisi dan dikosongkan pada 60 °C selama 30 menit di bawah kerapatan arus 0,1, 0,2, dan 0,3 mA cm
− 2
, masing-masing (Gbr. 2c). Dari hasil ini dapat diketahui bahwa tegangan sel Li/PAL-R/Li dapat distabilkan pada 33 mV dan 67 mV pada rapat arus 0,1 dan 0,2 mA cm
−2
, masing-masing, yang jauh lebih kecil daripada Li/PAL-C/Li (56 dan 126 mV). Untuk kepadatan arus yang lebih tinggi (0,3 mA cm
−2
), PAL-R SEP dapat berputar secara stabil selama 200 siklus, tetapi penetrasi dendrit terjadi setelah hanya beberapa siklus PAL-C SPE di bawah kerapatan arus yang sama. Morfologi permukaan elektroda litium dengan SPE berbeda setelah 200 siklus pada 0,2 mA cm
−2
diuji dan ditunjukkan pada Gambar. 2c, d. Ada dendrit lithium besar yang tidak teratur dengan PAL-C SPE tetapi permukaan lithium yang relatif halus dengan PAL-R SPE dapat ditemukan. Hasil ini dapat dikaitkan dengan konduktivitas ionik yang tinggi dan jalur transportasi ion yang seragam dari PAL-R SPE, yang akan mengarah pada deposisi lithium yang seragam untuk menghindari korsleting internal yang disebabkan oleh pertumbuhan dendrit lithium.
a Plot EIS (inset:model rangkaian ekivalen). b Kurva polarisasi DC dan c kinerja bersepeda sel simetris Li / SPE / Li dengan SPE yang berbeda. d dan e Morfologi logam Li setelah 200 siklus dalam sel simetris Li/SPE/Li masing-masing dengan PAL-C dan PAL-R SPE
Performa pengisian-pengosongan galvanostatik dari baterai li-ion padat yang mengandung LiFePO4 (LFP) katoda, anoda Li dengan SPE yang berbeda diuji dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 3. Sebelum uji charge-discharge galvanostatik, impedansi masing-masing baterai diuji dan dipasang dengan model rangkaian ekivalen (inset dari Gambar 3a) . Dalam model ini, RΩ sesuai dengan resistansi ohmik; Rct mewakili resistansi transfer muatan untuk reaksi elektrokimia; CPE adalah elemen sudut fase konstan yang terkait dengan kapasitansi lapisan ganda katoda berpori, dan Zw adalah kontribusi Warburg panjang terbatas. Ditemukan bahwa RΩ menurun dari 17,1 menjadi 14,4 Ω dan Rct menurun dari 47,5 menjadi 33,1 Ω untuk baterai dengan PAL-C dan PAL-R SPE, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Penurunan RΩ dan Rct dapat dikaitkan dengan kristalinitas PAL-R SPE yang lebih rendah, yang dapat menyediakan lebih banyak jalur transportasi li-ion untuk meningkatkan konduktivitas elektrolit dan memfasilitasi reaksi redoks dalam elektroda LFP secara bersamaan. Gambar 3 b menunjukkan kapasitas pengisian-pengosongan semua baterai li-ion padat dengan SPE berbeda pada 60 °C di bawah rapat arus 0,2 C . Baterai dengan elektrolit PAL-R menghasilkan kapasitas pengosongan 162,6 mAh g
−1
dengan celah tegangan pengisian-pengisian 60 mV, sedangkan baterai dengan elektrolit PAL-C menghasilkan kapasitas pengosongan 156,7 mAh g
−1
dengan celah tegangan pelepasan muatan sebesar 82 mV. Peningkatan kapasitas pelepasan dan penurunan celah tegangan dapat dikaitkan dengan konduktivitas yang lebih tinggi dan resistansi yang lebih rendah dari elektrolit PAL-R dibandingkan dengan elektrolit PAL-C. Performa kecepatan baterai li-ion padat dengan SPE berbeda dilakukan di bawah kerapatan arus 0,1 C , 0,2 C , 0,5 C , 1 C , dan 0,2 C (Gbr. 3c, d dan S4), masing-masing. Hasilnya menunjukkan bahwa baterai dengan PAL-R dapat menghasilkan kapasitas 164.3, 162.6, 161.8, 157.8, dan 161.2 mAh g
−1
, masing-masing. Performa ini jauh lebih baik daripada baterai dengan elektrolit PAL-C, yang hanya menghasilkan kapasitas 161.5, 156.7, 148.7, 142.1, dan 151,8 mAh g
−1
, masing-masing. Hasil ini menggambarkan bahwa elektrolit PAL-R mampu melakukan operasi tingkat tinggi karena konduktivitas yang lebih tinggi.
a Plot EIS dan hasil simulasi untuk baterai LFP/SPE/Li dengan SPE berbeda (inset:model rangkaian ekivalen), b kinerja pengisian daya baterai LFP/SPE/Li dengan SPE berbeda pada 0,2 C , c kurva debit-pengisian baterai LFP/SPE/Li dengan PAL-R SPE pada densitas arus yang berbeda, d menilai kinerja; dan e kinerja siklus panjang baterai LFP/SPE/Li dengan SPE berbeda
Performa siklus baterai dengan SPE berbeda diuji di bawah kerapatan arus 0,5 C (Gbr. 3e). Untuk sel LFP/PAL-C/Li, kapasitas debit mempertahankan 117.1 mAh g
−1
setelah 300 siklus dengan tingkat peluruhan kapasitas 0,071% per siklus. Sebagai perbandingan, sel LFP/PAL-R/Li mempertahankan kapasitas debit 136,8 mAh g
−1
dengan tingkat peluruhan kapasitas 0,048% per siklus di bawah kondisi yang sama. Dalam baterai li-ion LFP/PEO-SPE/Li all-solid-state yang ada, peluruhan kapasitas terutama berasal dari dua aspek:(i) pembangkitan dan pertumbuhan dendrit litium pada anoda yang terus-menerus mencairkan kontak antara elektroda Li dan elektrolit , sehingga resistansi anoda meningkat. (ii) Meskipun PEO memiliki stabilitas yang baik, ia masih terurai selama rentang tegangan charge-discharge [14, 29]. Produk dekomposisi yang terakumulasi secara bertahap akan meningkatkan ketahanan reaksi elektroda katoda. Pada baterai all-solid dengan elektrolit PAL-R, peningkatan resistansi anoda terhambat karena kinerja penghambatan dendrit yang baik. Namun, reaksi dekomposisi yang terus menerus pada elektroda katoda menyebabkan peningkatan resistansi baterai dan secara bertahap menjadi penyebab utama penurunan kapasitas baterai setelah 100 siklus. Sebaliknya, baterai solid-solid dengan peselancar elektrolit PAL-C dari peningkatan resistansi anoda dan resistansi katoda, yang mengarah ke penurunan kapasitas yang berkelanjutan selama 300 siklus. Hasil menunjukkan bahwa perlakuan penggulungan dapat meningkatkan kinerja elektrokimia elektrolit dan elektrolit solid state yang lebih stabil harus dikembangkan untuk aplikasi masa depan.
Kesimpulan
Dalam pekerjaan ini, kami menerapkan teknologi press-rolling sederhana untuk meningkatkan kinerja SPE berbasis PEO untuk baterai li-ion padat. SPE berbasis PEO yang digulung menunjukkan penurunan kristalinitas dan peningkatan fase amorf, yang diharapkan dapat bermanfaat untuk transportasi li-ion. Setelah perawatan, SPE berbasis PEO memberikan konduktivitas suhu ruang dua kali lipat dan penurunan energi aktivasi. Secara eksperimental ditunjukkan LiFePO4 /SPE/Li baterai li-ion padat dengan SPE berbasis PEO yang digulung menunjukkan kapasitas spesifik yang dapat diisi ulang sebesar 162,6 mAh g
−1
dengan celah tegangan pelepasan muatan 60 mV pada rapat arus 0,2 C , yang jauh lebih baik daripada SPE berbasis PEO pemeran (156.7 mAh g
−1
dan 82 mV). Selanjutnya, tingkat peluruhan kapasitas berkurang menjadi 0,0048% per siklus setelah 300 siklus pada 0,5 C . Semua hasil menunjukkan bahwa teknologi grain reforming merupakan teknologi yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja SPE berbasis PEO.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini dan file informasi tambahannya.
