Pochopenie rozhrania tuhého elektrolytu (sei) na zlepšenie výkonu lítium-iónovej batérie

V dnešnej dobe si lítium-iónové batérie získavajú čoraz väčšiu pozornosť vďaka ich rozšírenému použitiu v elektrických vozidlách, zálohovaní napájania, mobiloch, notebookoch, inteligentných hodinkách a inom prenosnom elektronickom tovare atď., Veľa výskumov sa deje v oblasti lítiových batérií so zvýšeným dopytom po elektrické vozidlá pre oveľa lepší výkon. Jedným dôležitým parametrom, ktorý znižuje výkon a životnosť lítiovej batérie, je vývoj rozhrania tuhého elektrolytu (SEI),toto je pevná vrstva, ktorá sa hromadí vo vnútri lítiovej batérie, keď ju začneme používať. Tvorba tejto pevnej vrstvy blokuje priechod medzi elektrolytom a elektródami, čo výrazne ovplyvňuje výkon batérie. V tomto článku sa dozvieme viac o tomto rozhraní tuhého elektrolytu (SEI), o jeho vlastnostiach, o tom, ako sa formuje, a tiež budeme diskutovať o tom, ako ho ovládať, aby sa zvýšil výkon a životnosť lítiovej batérie. Upozorňujeme, že niektorí ľudia tiež nazývajú rozhranie tuhého elektrolytu ako tuhú elektrolytovú medzifázu (SEI), oba termíny sa používajú zameniteľne v celkových výskumných prácach, a preto je ťažké polemizovať, ktorý z nich je správny. Pre účely tohto článku sa budeme držať rozhrania tuhého elektrolytu.

Lítium-iónové batérie:

Predtým, ako sa ponoríme hlboko do SEI, poďme si trochu zopakovať základné informácie o Li-ion článkoch, aby sme lepšie pochopili tento koncept. Ak ste v elektrických vozidlách úplne nová, potom si prečítajte tento článok Všetko, čo chcete vedieť o batériách elektrických vozidiel, aby ste porozumeli batériám EV skôr, ako budete pokračovať.

Lítium-iónové batérie pozostávajú z anódy (záporná elektróda), katódy (kladná elektróda), elektrolytu a separátora.

Anóda: Medzi najvýhodnejšie anódové materiály patria grafit, sadze, titaničitan lítny (LTO), kremík a grafén. Ako anóda sa najčastejšie používa grafit potiahnutý na medenú fóliu. Úlohou spoločnosti Graphite je pôsobiť ako pamäťové médium pre lítiové ióny. Reverzibilná interkalácia uvoľnených iónov lítia sa dá ľahko urobiť v grafite vďaka jeho voľne viazanej vrstvenej štruktúre.

Katóda: Čisté lítium s jedným zádržným elektrónom na vonkajšom obale je vysoko reaktívne a nestabilné, takže sa ako katóda používa stabilný oxid lítny a kovu pokrytý hliníkovou fóliou. Oxidy lítneho kovu ako lítium-nikel-mangán-kobalt-oxid („NMC“, LiNixMnyCozO2), lítium-nikel-kobaltnatý oxid hlinitý („NCA“, LiNiCoAlO2), lítium-mangánový oxid („LMO“, LiMn2O4), fosforečnan lítno-železitý („LFP“, LiFe) Sa ako katódy používajú oxid lítny a kobaltnatý (LiCoO2, „LCO“).

Elektrolyt: Elektrolyt medzi zápornou a kladnou elektródou musí byť dobrým iónovým vodičom a elektronickým izolátorom, čo znamená, že musí umožňovať lítiové ióny a musí cez ne blokovať elektróny počas procesu nabíjania a vybíjania. elektrolyt je zmes organických uhličitanových rozpúšťadiel, ako je etylénkarbonát alebo dietylkarbonát, a lítium-solí, ako je hexafluórfosforečnan lítny (LiPF6), chloristan lítny (LiClO4), monohydrát hexafluórarzeničitanu lítneho (LiAsF6), triflát lítny (LiCF3SO3) a lítium tetrafluórborát (LiBF4).

Separátor: Separátor je kritickou súčasťou elektrolytu. Pôsobí ako izolačná vrstva medzi anódou a katódou, aby sa zabránilo skratu medzi nimi, a zároveň umožňuje lítiové ióny z katódy na anódu a naopak počas nabíjania a vybíjania. V lítium-iónových batériách sa ako oddeľovač používa väčšinou polyolefín.

Charg

Počas procesu nabíjania, keď pripojíme zdroj energie k batérii, napájaný atóm lítia dáva lítiové ióny a elektróny na kladnej elektróde. Tieto Li-ióny prechádzajú elektrolytom a ukladajú sa v zápornej elektróde, zatiaľ čo elektróny prechádzajú vonkajším obvodom. Počas procesu vybíjania, keď pripájame externú záťaž na batériu, sa nestabilné lítium-ióny uložené v negatívnej elektróde dostanú späť k oxidu kovu pri kladnej elektróde a elektróny cirkulujú cez záťaž. Tu pôsobia ako zberače prúdu hliníkové a medené fólie.

Tvorba SEI:

V lítium-iónových batériách je pri prvom nabití množstvo lítium-iónu dané kladnou elektródou menšie ako počet lítiových iónov putovaných späť na katódu po prvom vybití. Je to spôsobené tvorbou SEI (rozhranie tuhého elektrolytu). Počas prvých niekoľkých cyklov nabíjania a vybíjania, keď elektrolyt prichádza do styku s elektródou, reagujú rozpúšťadlá v elektrolyte, ktoré sú počas nabíjania sprevádzané iónmi lítia, s elektródou a začnú sa rozkladať. To má za následok rozklad k tvorbe LIF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ zlúčenín. Tieto komponenty sa vyzrážajú na elektróde a vytvárajú niekoľko nanometrov silné vrstvy, ktoré sa nazývajú rozhranie tuhého elektrolytu (SEI) . Táto pasivačná vrstva chráni elektródu pred koróziou a ďalšou spotrebou elektrolytu. K tvorbe SEI dochádza v dvoch fázach.

Fázy formovania SEI:

Prvá etapa tvorby SEI prebieha pred ióny lítia začlenenie do anódy. V tejto fáze sa vytvára nestabilná a vysoko odolná vrstva SEI. Druhá fáza tvorby SEI vrstvy sa deje súčasne s interkaláciu iónov lítia na anóde. Výsledný film SEI je porézny, kompaktný, heterogénny, izolačný voči tunelom elektrónov a vodivý pre lítiové ióny. Len čo sa vytvorí vrstva SEI, odoláva pohybu elektrolytu cez pasivačnú vrstvu k elektróde. Takže riadi ďalšiu reakciu medzi elektrolytom a iónmi lítia, elektrónov na elektróde, a tým obmedzuje ďalší rast SEI.

Dôležitosť a účinky SEI

SEI vrstva je najdôležitejšou a menej pochopenou zložkou v elektrolyte. Objav vrstvy SEI je síce náhodný, ale účinná vrstva SEI je dôležitá pre dlhú životnosť, dobré cyklistické schopnosti, vysoký výkon, bezpečnosť a stabilitu batérie. Vytvorenie vrstvy SEI je jedným z dôležitých aspektov pri navrhovaní batérií pre lepší výkon. Dobre priľnutý SEI na elektródach udržuje dobrú cyklickú schopnosť tým, že zabraňuje ďalšej spotrebe elektrolytu. Správne naladenie pórovitosti a hrúbky vrstvy SEI zlepšuje vodivosť lítiových iónov cez ňu, čo vedie k zlepšeniu prevádzky batérie.

Počas ireverzibilnej tvorby vrstvy SEI sa trvale spotrebováva určité množstvo iónov elektrolytu a lítia. Spotreba lítiových iónov počas tvorby SEI teda vedie k trvalej strate kapacity. Pri mnohých opakovaných cykloch nabíjania a vybíjania dôjde k rastu SEI, čo spôsobí zvýšenie impedancie batérie, zvýšenie teploty a zlú hustotu výkonu.

Funkčné vlastnosti SEI

V batérii sa SEI nedá vyhnúť. avšak účinok SEI možno minimalizovať, ak vytvorená vrstva dodržiava nasledujúce

• Musí blokovať priamy kontakt elektrónov s elektrolytom, pretože kontakt medzi elektrónmi z elektród a elektrolytom spôsobuje degradáciu a redukciu elektrolytu.
• Musí to byť dobrý iónový vodič. Mal by umožniť lítiovým iónom z elektrolytu prúdiť k elektródam
• Musí byť chemicky stabilný, čo znamená, že nemôže reagovať s elektrolytom a mal by byť v elektrolyte nerozpustný
• Musí byť mechanicky stabilný, čo znamená, že by mal mať vysokú pevnosť, aby toleroval expanzné a kontrakčné napätie počas nabíjacích a vybíjacích cyklov.
• Musí udržiavať stabilitu pri rôznych prevádzkových teplotách a potenciáloch
• Jeho hrúbka by sa mala blížiť k niekoľkým nanometrom

Ovládanie SEI

Stabilizácia a kontrola SEI sú rozhodujúce pre zlepšený výkon a bezpečnú prevádzku bunky. ALD (nanášanie atómovej vrstvy) a MLD (nanášanie molekulárnej vrstvy) na elektródy riadia rast SEI.

Al ₂ O ₃ (ALD povlak) s bandgap 9,9 eV potiahnutý na elektródových kontrolách a stabilizuje rast SEI vďaka svojej pomalej rýchlosti prenosu elektrónov. To zníži rozklad elektrolytu a spotrebu Li-ion. Rovnakým spôsobom alkoxid hlinitý, jeden z povlakov MLD riadi tvorbu vrstvy SEI. Tieto povlaky ALD a MLD znižujú stratu kapacity a zlepšujú coulombickú účinnosť.