Înțelegerea interfeței electrolitice solide (sei) pentru a îmbunătăți performanța bateriei litiu-ion

În zilele noastre, bateriile litiu-ion câștigă mai multă atenție datorită utilizării lor pe scară largă în vehiculele electrice, copiile de rezervă electrice, telefoanele mobile, laptopurile, ceasurile inteligente și alte articole electronice portabile, etc. vehicule electrice pentru performanțe mult mai bune. Un parametru important care reduce performanța și durata de viață a bateriei cu litiu este dezvoltarea unei interfețe electrolitice solide (SEI),acesta este un strat solid care se construiește în interiorul bateriei cu litiu pe măsură ce începem să o folosim. Formarea acestui strat solid blochează trecerea dintre electrolit și electrozi afectând puternic performanța bateriei. În acest articol, vom afla mai multe despre această interfață Solid electrolyte (SEI), proprietățile sale, modul în care se formează și vom discuta, de asemenea, despre modul de control al acesteia pentru a crește performanța și durata de viață a unei baterii cu litiu. Rețineți că unii oameni numesc și Interfață solidă de electroliți ca Interfață solidă de electroliți (SEI), ambii termeni sunt folosiți în mod interschimbabil lucrări generale de cercetare și, prin urmare, este greu de argumentat care este termenul corect. De dragul acestui articol, ne vom lipi de interfața solidă a electrolitului.

Baterii litiu-ion:

Înainte de a ne adânci în SEI, să revizuim puțin elementele de bază ale celulelor Li-ion, astfel încât să înțelegem mai bine conceptul. Dacă sunteți complet nou în ceea ce privește vehiculele electrice, verificați acest articol Tot ce doriți să știți despre Bateriile vehiculelor electrice pentru a înțelege bateriile EV înainte de a continua mai departe.

Bateriile litiu-ion sunt formate din anod (electrod negativ), catod (electrod pozitiv), electrolit și separator.

Anod: Grafit, negru de fum, titanat de litiu (LTO), siliciu și grafen sunt unele dintre cele mai preferate materiale anodice. Cel mai frecvent grafit, acoperit pe folie de cupru folosit ca anod. Rolul grafitului este de a acționa ca un mediu de stocare pentru ionii de litiu. Intercalația reversibilă a ionilor de litiu eliberați poate fi realizată cu ușurință în grafit datorită structurii stratificate lipite.

Catod: Litiul pur având un electron de protecție pe învelișul său exterior este extrem de reactiv și instabil, astfel încât oxidul de litiu metalic stabil, acoperit pe folie de aluminiu folosit ca catod. Oxizi de litiu metalici precum oxid de litiu nichel mangan cobalt ("NMC", LiNixMnyCozO2), litiu nichel cobalt oxid de aluminiu ("NCA", LiNiCoAlO2), oxid de litiu mangan ("LMO", LiMn2O4), litiu fier fosfat ("LF), Oxid de litiu cobalt (LiCoO2, "LCO") sunt folosiți ca catod.

Electrolit: Electrolitul dintre electrozii negativ și pozitiv trebuie să fie un bun conductor ionic și un izolator electronic, ceea ce înseamnă că trebuie să permită ionilor de litiu și trebuie să blocheze electronii prin el în timpul procesului de încărcare și descărcare. un electrolit este un amestec de solvenți organici carbonatici precum etilen carbonat sau dietil carbonat și săruri Li-ion precum hexafluorofosfat de litiu (LiPF6), perclorat de litiu (LiClO4), hexafluorarsenat de litiu monohidrat (LiAsF6), triflat de litiu (LiCF3SO3), tetrafluoroborat (LiBF4).

Separator: Separatorul este o componentă critică în electrolit. Acționează ca un strat izolant între anod și catod pentru a evita scurtcircuitul dintre ele permițând în același timp ionii de litiu de la catod la anod și invers în timpul încărcării și descărcării. În bateriile litiu-ion, cea mai mare parte poliolefină este utilizată ca separator.

Charg

În timpul procesului de încărcare, când conectăm o sursă de energie la baterie, un atom de litiu energizat, dă ioni de litiu și electroni la electrodul pozitiv. Acești Li-ion trec prin electrolit și sunt depozitați în electrodul negativ, în timp ce electronii călătoresc prin circuitul extern. În timpul procesului de descărcare, atunci când conectăm sarcina externă la baterie, ionii Li instabili depozitați în electrod negativ se deplasează înapoi la oxidul metalic la electrodul pozitiv și electronii circulă prin sarcină. Aici foliile de aluminiu și cupru acționează ca colectoare de curent.

Formarea SEI:

În bateriile Li-ion, pentru prima încărcare, cantitatea de litiu-ion dată de electrodul pozitiv este mai mică decât numărul de ioni de litiu călătoriți înapoi la catod după prima descărcare. Acest lucru se datorează formării SEI (interfață solidă de electroliți). Pentru primele câteva cicluri de încărcare și descărcare, când electrolitul intră în contact cu electrodul, solvenții dintr-un electrolit care sunt însoțiți de ionii de litiu în timpul încărcării reacționează cu electrodul și începe să se descompună. Această descompunere are ca rezultat formarea compușilor LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Aceste componente precipită pe electrod și formează câteva straturi groase de nanometri numite interfață solidă de electroliți (SEI) . Acest strat pasivant protejează electrodul de coroziune și de consumul suplimentar de electrolit, formarea SEI are loc în două etape.

Etapele formării SEI:

Prima etapă a formării IES are loc înainte de includerea ionilor de litiu în anod. În acest stadiu, se formează un strat SEI instabil și extrem de rezistiv. A doua etapă a formării stratului SEI are loc simultan cu intercalația ionilor de litiu pe anod. Pelicula SEI rezultată este poroasă, compactă, eterogenă, izolantă la tunelul de electroni și conductivă pentru ionii de litiu. Odată ce stratul SEI se formează, acesta rezistă mișcării electrolitului prin stratul pasivant la electrod. Astfel încât să controleze reacția suplimentară dintre ionii de electrolit și litiu, electronii de la electrod și astfel restricționează creșterea SEI suplimentară.

Importanța și efectele SEI

Stratul SEI este componenta cea mai importantă și mai puțin înțeleasă din electrolit. Deși descoperirea stratului SEI este accidentală, dar un strat SEI eficient este important pentru o durată lungă de viață, o bună capacitate de ciclism, performanțe ridicate, siguranță și stabilitate ale unei baterii. Formarea stratului SEI este una dintre considerațiile importante în proiectarea bateriilor pentru performanțe mai bune. SEI bine aderent pe electrozi menține o bună capacitate de ciclism prin prevenirea consumului suplimentar de electrolit. Reglarea corectă a porozității și grosimii stratului SEI îmbunătățește conductivitatea ionilor de litiu prin acesta, rezultând o funcționare îmbunătățită a bateriei.

În timpul formării ireversibile a stratului SEI, o anumită cantitate de ioni electrolit și litiu sunt consumate permanent. Astfel, consumul de ioni de litiu în timpul formării SEI are ca rezultat o pierdere permanentă a capacității. Va exista o creștere SEI cu multe cicluri repetate de încărcare și descărcare, ceea ce determină creșterea impedanței bateriei, creșterea temperaturii și densitatea redusă a puterii.

Proprietăți funcționale ale SEI

SEI este inevitabil într-o baterie. cu toate acestea, efectul SEI poate fi minimizat dacă stratul format aderă la următoarele

• Trebuie să blocheze contactul direct al electronilor cu electrolitul, deoarece contactul dintre electronii din electrozi și electrolit determină degradarea și reducerea electrolitului.
• Trebuie să fie un bun conductor ionic. Ar trebui să permită ionilor de litiu dintr-un electrolit să curgă către electrozi
• Trebuie să fie stabil chimic, ceea ce înseamnă că nu poate reacționa cu electrolitul și ar trebui să fie insolubil în electrolit
• Trebuie să fie stabil mecanic, ceea ce înseamnă că ar trebui să aibă o rezistență ridicată pentru a tolera tensiunile de dilatare și contracție în timpul ciclurilor de încărcare și descărcare.
• Trebuie să mențină stabilitatea la diferite temperaturi și potențiale de funcționare
• Grosimea sa ar trebui să fie aproape de câțiva nanometri

Controlul SEI

Stabilizarea și controlul SEI sunt cruciale pentru îmbunătățirea performanței și funcționarea sigură a celulei. Acoperirile ALD (depunerea stratului atomic) și MLD (depunerea stratului molecular) pe electrozi controlează creșterea SEI.

Al ₂ O ₃ (acoperire ALD) cu bandgap de 9,9 eV acoperit pe comenzile electrodului și stabilizează creșterea SEI datorită vitezei sale de transfer de electroni. Acest lucru va reduce descompunerea electrolitului și consumul de Li-ion. În același mod, alcoolul de aluminiu, unul dintre acoperirile MLD controlează acumularea stratului SEI. Aceste acoperiri ALD și MLD reduc pierderile de capacitate, îmbunătățesc eficiența coulombică.