Zrozumienie interfejsu z elektrolitem stałym (sei) w celu poprawy wydajności akumulatora litowo-jonowego

Obecnie akumulatory litowo-jonowe zyskują coraz większe zainteresowanie ze względu na ich powszechne zastosowanie w pojazdach elektrycznych, kopiach zapasowych, telefonach komórkowych, laptopach, smartwatchach i innych przenośnych urządzeniach elektronicznych itp. Wiele badań dotyczy akumulatorów litowych przy zwiększonym zapotrzebowaniu na pojazdy elektryczne dla znacznie lepszych osiągów. Ważnym parametrem zmniejszającym wydajność i żywotność baterii litowej jest opracowanie interfejsu z elektrolitem stałym (SEI),jest to solidna warstwa, która tworzy się wewnątrz baterii litowej, gdy zaczynamy jej używać. Utworzenie tej stałej warstwy blokuje przejście między elektrolitem a elektrodami, co w znacznym stopniu wpływa na wydajność akumulatora. W tym artykule dowiemy się więcej o tym interfejsie z elektrolitem stałym (SEI), jego właściwościach, sposobie jego formowania, a także omówimy, jak go kontrolować, aby zwiększyć wydajność i żywotność baterii litowej. Zauważ, że niektórzy ludzie nazywają również Solid Electrolyte Interphase jako Solid Electrolyte Interphase (SEI), oba te terminy są używane zamiennie w całych pracach badawczych, dlatego trudno jest spierać się, który termin jest prawidłowy. Na potrzeby tego artykułu będziemy trzymać się interfejsu z elektrolitem stałym.

Baterie litowo-jonowe:

Zanim zagłębimy się w SEI, zrewidujmy nieco podstawy ogniw litowo-jonowych, aby lepiej zrozumieć tę koncepcję. Jeśli jesteś zupełnie nowy w pojazdach elektrycznych, sprawdź ten artykuł Wszystko, co chcesz wiedzieć o akumulatorach do pojazdów elektrycznych, aby zrozumieć akumulatory EV, zanim przejdziesz dalej.

Akumulatory litowo-jonowe składają się z anody (elektrody ujemnej), katody (elektrody dodatniej), elektrolitu i separatora.

Anoda: grafit, sadza, tytanian litu (LTO), krzem i grafen to jedne z najbardziej preferowanych materiałów anodowych. Najczęściej grafit, pokryty folią miedzianą używaną jako anoda. Rolą grafitu jest działanie jako medium magazynujące jony litu. Odwracalna interkalacja uwolnionych jonów litu może być łatwo wykonana w graficie ze względu na jego luźno związaną strukturę warstwową.

Katoda: Czysty lit mający jeden elektron walencyjny na zewnętrznej powłoce jest wysoce reaktywny i niestabilny, tak więc stabilny tlenek litu, pokryty folią aluminiową używaną jako katoda. Tlenki litu i metalu, takie jak tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy („NMC”, LiNixMnyCozO2), tlenek litowo-niklowo-kobaltowy („NCA”, LiNiCoAlO2), tlenek manganu litu („LMO”, LiMn2O4), fosforan litowo-żelazowy („LFP4”),), Jako katody stosuje się tlenek kobaltu litu (LiCoO2, „LCO”).

Elektrolit: Elektrolit między elektrodami ujemnymi i dodatnimi musi być dobrym przewodnikiem jonowym i izolatorem elektronicznym, co oznacza, że ​​musi przepuszczać jony litu i musi blokować przez niego elektrony podczas procesu ładowania i rozładowywania. elektrolit to mieszanina organicznych rozpuszczalników węglanowych, takich jak węglan etylenu lub węglan dietylu, i soli litowo-jonowych, takich jak heksafluorofosforan litu (LiPF6), nadchloran litu (LiClO4), monohydrat heksafluoroarsenianu litu (LiAsF6), trifluorometanosulfonian litu (LiC3SO3) tetrafluoroboran (LiBF4).

Separator: Separator jest krytycznym składnikiem elektrolitu. Działa jako warstwa izolacyjna między anodą a katodą, aby uniknąć zwarcia między nimi, jednocześnie przepuszczając jony litu z katody do anody i odwrotnie podczas ładowania i rozładowywania. W akumulatorach litowo-jonowych jako separator stosuje się głównie poliolefiny.

Opłata

Podczas procesu ładowania, kiedy podłączamy źródło zasilania do akumulatora, energetyzowany atom litu daje jony i elektrony litu na elektrodzie dodatniej. Te jony litu przechodzą przez elektrolit i są gromadzone w elektrodzie ujemnej, podczas gdy elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny. Podczas procesu rozładowywania, kiedy podłączamy zewnętrzne obciążenie do akumulatora, niestabilne jony litu przechowywane w elektrodzie ujemnej powracają do tlenku metalu na elektrodzie dodatniej, a elektrony krążą w ładunku. Tutaj folie aluminiowe i miedziane pełnią rolę kolektorów prądu.

Formacja SEI:

W akumulatorach litowo-jonowych podczas pierwszego ładowania ilość litowo-jonowa podana przez elektrodę dodatnią jest mniejsza niż liczba jonów litu, które powróciły do ​​katody po pierwszym rozładowaniu. Wynika to z tworzenia się SEI (interfejs stałego elektrolitu). Podczas pierwszych kilku cykli ładowania i rozładowania, gdy elektrolit styka się z elektrodą, rozpuszczalniki w elektrolicie, którym towarzyszą jony litu podczas ładowania, reagują z elektrodą i zaczynają się rozkładać. W wyniku tego rozkładu powstają związki LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Składniki te wytrącają się na elektrodzie i tworzą warstwy o grubości kilku nanometrów zwane fazą fazę stałego elektrolitu (SEI) . Ta warstwa pasywująca zabezpiecza elektrodę przed korozją i dalszym zużyciem elektrolitu, powstawanie SEI przebiega dwuetapowo.

Etapy formowania SEI:

Pierwszy etap formowania SEI odbywa się przed umieszczeniem LITOWYCH jonów do anody. Na tym etapie tworzy się niestabilna i wysoce rezystancyjna warstwa SEI. Drugi etap formowania warstwy SEI stanie równocześnie z interkalację jonów litu na anodzie. Powstała folia SEI jest porowata, zwarta, niejednorodna, izoluje tunelowanie elektronów i przewodzi jony litu. Uformowana warstwa SEI opiera się ruchowi elektrolitu przez warstwę pasywującą do elektrody. Aby kontrolować dalszą reakcję między elektrolitem i jonami litu, elektronami na elektrodzie, a tym samym ogranicza dalszy wzrost SEI.

Znaczenie i skutki SEI

Warstwa SEI jest najważniejszym i mniej poznanym składnikiem elektrolitu. Chociaż odkrycie warstwy SEI jest przypadkowe, ale skuteczna warstwa SEI jest ważna dla długiej żywotności, dobrej zdolności do jazdy na rowerze, wysokiej wydajności, bezpieczeństwa i stabilności baterii. Tworzenie warstwy SEI jest jednym z ważnych czynników branych pod uwagę przy projektowaniu akumulatorów w celu uzyskania lepszej wydajności. Dobrze przylegający SEI na elektrodach utrzymuje dobrą zdolność cykliczną, zapobiegając dalszemu zużyciu elektrolitu. Odpowiednie dobranie porowatości i grubości warstwy SEI poprawia przewodnictwo jonów litu przez nią, co skutkuje poprawą pracy baterii.

Podczas nieodwracalnego tworzenia się warstwy SEI następuje trwałe zużycie pewnej ilości elektrolitu i jonów litu. Zatem zużycie jonów litu podczas tworzenia SEI powoduje trwałą utratę pojemności. Nastąpi wzrost SEI wraz z wieloma powtarzającymi się cyklami ładowania i rozładowania, co spowoduje wzrost impedancji baterii, wzrost temperatury i słabą gęstość mocy.

Funkcjonalne właściwości SEI

SEI jest nieuniknione w przypadku baterii. jednakże efekt SEI można zminimalizować, jeśli utworzona warstwa przylega do poniższych

• Musi blokować bezpośredni kontakt elektronów z elektrolitem, ponieważ kontakt elektronów z elektrod z elektrolitem powoduje degradację i redukcję elektrolitu.
• To musi być dobry przewodnik jonowy. Powinien umożliwiać przepływ jonów litu z elektrolitu do elektrod
• Musi być stabilny chemicznie, co oznacza, że ​​nie może reagować z elektrolitem i powinien być nierozpuszczalny w elektrolicie
• Musi być stabilny mechanicznie, co oznacza, że ​​powinien mieć wysoką wytrzymałość, aby tolerować naprężenia rozszerzające i skurczowe podczas cykli ładowania i rozładowywania.
• Musi utrzymywać stabilność w różnych temperaturach i potencjałach roboczych
• Jego grubość powinna być bliska kilku nanometrom

Kontrolowanie SEI

Stabilizacja i kontrola SEI są kluczowe dla poprawy wydajności i bezpiecznej pracy ogniwa. Powłoki ALD (osadzanie warstwy atomowej) i MLD (osadzanie warstwy molekularnej) na elektrodach kontrolują wzrost SEI.

Al ₂ O ₃ (powłoka ALD) z pasmem wzbronionym 9,9 eV powleczona na elektrodach kontrolnych i stabilizująca wzrost SEI dzięki powolnej szybkości transferu elektronów. Zmniejszy to rozkład elektrolitu i zużycie litowo-jonowe. W ten sam sposób alkoksylan glinu, jedna z powłok MLD kontroluje tworzenie się warstwy SEI. Te powłoki ALD i MLD zmniejszają utratę pojemności, poprawiają sprawność kulombowską.