添加物フッ素エチレン炭酸でシリコンに形成された固体電解質インターフェーズの安定性を高める構造的基礎を特定する

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• 分析化学

背景:

• シリコンアノドはリチウムイオン電池の容量が高いが,SEI形成によりサイクルの安定性が低下している.
• 標準的な炭酸電解質は,シリコンアノドの望ましくない線形ポリマー副産物を導きます.
• フッ素エチレン炭酸 (FEC) は一般的な電解質添加物ですが,SEI形成における正確な役割は完全に理解されていません.

研究 の 目的:

• リチウムイオン電池の電解質の添加物としてのフッ素エチレン炭酸 (FEC) の役割を調査する.
• 固体電解質インターフェーズ (SEI) の構造的進化を,FECとFECのないシリコンアノドで分析する.
• 電気化学サイクル中のFECの反応経路を解明する.

主な方法:

• 溶液状態,固体状態,動的核極化NMRを含む先進的な核磁気共振 (NMR) 技術を活用した.
• 詳細なNMR分析を可能にする13C濃縮フッ素炭素酸 (FEC) を合成した.
• シリコンアノドで形成された固体電解質インターフェーズ (SEI) の有機成分を分析した.

主要な成果:

• FECの体積10%は,可溶性ポリエチレン酸化物のような線形オリゴマーの形成を抑制する.
• FECは脱フッ素化され,ビニレン炭酸とビノキシル種を形成する.
• これらの中間物質は,溶解可能および不溶解の枝分かれしたエチレン酸化物ベースのポリマーを生成する.

結論:

• フッ素エチレン炭酸 (FEC) 添加物は,シリコンアノドのSEI組成を変更する上で重要な役割を果たします.
• FECは枝分かれしたポリマーの形成を促進し,構造的にはFECなしで形成された線形ポリマーとは異なります.
• FECによる線形ポリマーの抑制と分岐ポリマーの形成は,リチウムイオン電池のサイクル安定性の改善に寄与する可能性がある.