Porozumění rozhraní pevného elektrolytu (sei) ke zlepšení výkonu lithium-iontové baterie

V dnešní době si lithium-iontové baterie získávají větší pozornost díky jejich rozšířenému použití v elektrických vozidlech, záložních zdrojích energie, mobilních telefonech, laptopech, inteligentních hodinkách a jiném přenosném elektronickém zboží atd., Probíhá mnoho výzkumu lithiových baterií se zvýšenou poptávkou po elektrická vozidla pro mnohem lepší výkon. Jedním z důležitých parametrů, které snižují výkon a životnost lithiové baterie, je vývoj rozhraní pevného elektrolytu (SEI),jedná se o pevnou vrstvu, která se hromadí uvnitř lithiové baterie, jakmile ji začneme používat. Tvorba této pevné vrstvy blokuje průchod mezi elektrolytem a elektrodami, což silně ovlivňuje výkon baterie. V tomto článku se dozvíme více o tomto rozhraní Solid Electrolyte (SEI), jeho vlastnostech, jak se tvoří a také budeme diskutovat o tom, jak jej ovládat, aby se zvýšil výkon a životnost lithiové baterie. Všimněte si, že někteří lidé také nazývali rozhraní Solid Electrolyte Interface jako Solid Electrolyte Interphase (SEI), oba termíny jsou používány zaměnitelně jako souhrnné výzkumné práce, a proto je těžké argumentovat, který je správný termín. Kvůli tomuto článku se budeme držet rozhraní pevného elektrolytu.

Lithium-iontové baterie:

Než se ponoříme hluboko do SEI, proberme si trochu základy Li-ionových článků, abychom lépe porozuměli konceptu. Pokud jste v elektrických vozidlech zcela nová, přečtěte si tento článek Vše, co chcete vědět o bateriích pro elektrická vozidla, abyste porozuměli bateriím EV, než budete pokračovat dále.

Lithium-iontové baterie jsou tvořeny anodou (záporná elektroda), katodou (kladná elektroda), elektrolytem a separátorem.

Anoda: Mezi nejvýhodnější anodové materiály patří grafit, saze, titaničitan lithný (LTO), křemík a grafen. Jako anoda se nejčastěji používá grafit potažený měděnou fólií. Úlohou grafitu je fungovat jako paměťové médium pro lithiové ionty. Reverzibilní interkalaci uvolněných lithiových iontů lze snadno provést v grafitu díky jeho volně vázané vrstvené struktuře.

Katoda: Čisté lithium s jedním zářivým elektronem na vnějším plášti je vysoce reaktivní a nestabilní, takže se jako katoda používá stabilní oxid lithia a kovu, potažený hliníkovou fólií. Oxidy lithia, jako je oxid kobaltnatý lithium-nikl-manganatý („NMC“, LiNixMnyCozO2), oxid hlinitý a kobaltnatý lithný nikl („NCA“, LiNiCoAlO2), oxid manganatý lithný („LMO“, LiMn2O4), fosforečnan lithný a železitý („LFP“, LiFe), Jako katody se používají oxid lithný a kobaltnatý (LiCoO2, „LCO“).

Elektrolyt: Elektrolyt mezi zápornou a kladnou elektrodou musí být dobrým iontovým vodičem a elektronickým izolátorem, což znamená, že musí umožňovat ionty lithia a musí jimi blokovat elektrony během procesu nabíjení a vybíjení. elektrolyt je směs organických uhličitanových rozpouštědel, jako je ethylenkarbonát nebo diethylkarbonát, a lithium-iontových solí, jako je hexafluorfosfát lithný (LiPF6), chloristan lithný (LiClO4), monohydrát hexafluorosenátu lithného (LiAsF6), triflát lithný (LiCF3SO3) a lithium tetrafluorborát (LiBF4).

Separátor: Separátor je důležitou složkou elektrolytu. Působí jako izolační vrstva mezi anodou a katodou, aby nedocházelo ke zkratu mezi nimi a zároveň umožňovalo lithiové ionty z katody na anodu a naopak během nabíjení a vybíjení. V lithium-iontových bateriích se jako separátor používá většinou polyolefin.

Charg

Během procesu nabíjení, když připojíme zdroj energie přes baterii, napájený atom lithia, dává ionty lithia a elektrony na kladné elektrodě. Tyto ionty Li procházejí elektrolytem a ukládají se v záporné elektrodě, zatímco elektrony procházejí vnějším obvodem. Během procesu vybíjení, když připojujeme externí zátěž přes baterii, nestabilní Li-ionty uložené v záporné elektrodě cestují zpět k oxidu kovu na kladné elektrodě a elektrony cirkulují zátěží. Zde působí hliníkové a měděné fólie jako sběrače proudu.

Tvorba SEI:

V lithium-iontových bateriích je pro první nabití množství lithium-iontu dané kladnou elektrodou menší než počet lithiových iontů putovaných zpět na katodu po prvním vybití. To je způsobeno tvorbou SEI (rozhraní tuhého elektrolytu). Během prvních několika cyklů nabíjení a vybíjení, když elektrolyt přijde do kontaktu s elektrodou, reagují rozpouštědla v elektrolytu, která jsou během nabíjení doprovázena lithiovými ionty, s elektrodou a začnou se rozkládat. To má za následek rozklad k tvorbě LIF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ sloučenin. Tyto komponenty se srážejí na elektrodě a vytvářejí několik nanometrových silných vrstev, které se nazývají rozhraní pevného elektrolytu (SEI) . Tato pasivační vrstva chrání elektrodu před korozí a další spotřebou elektrolytu, tvorba SEI probíhá ve dvou fázích.

Fáze formace SEI:

První etapa tvorby SEI probíhá před ionty lithia začlenění do anody. V této fázi se tvoří nestabilní a vysoce odolná vrstva SEI. Druhá fáze tvorby SEI vrstvy se děje současně s interkalaci iontů lithia na anodě. Výsledný film SEI je porézní, kompaktní, heterogenní, izoluje tunely elektronů a je vodivý pro ionty lithia. Jakmile se vytvoří vrstva SEI, odolává pohybu elektrolytu přes pasivační vrstvu k elektrodě. Aby kontroloval další reakci mezi elektrolytem a ionty lithia, elektrony na elektrodě a omezoval tak další růst SEI.

Důležitost a účinky SEI

SEI vrstva je nejdůležitější a méně pochopenou složkou v elektrolytu. Objev SEI vrstvy je sice náhodný, ale účinná SEI vrstva je důležitá pro dlouhou životnost, dobrou schopnost jízdy na kole, vysoký výkon, bezpečnost a stabilitu baterie. Vytvoření vrstvy SEI je jedním z důležitých aspektů při navrhování baterií pro lepší výkon. Dobře přilnutý SEI na elektrodách udržuje dobrou cyklickou schopnost tím, že brání další spotřebě elektrolytu. Správné vyladění pórovitosti a tloušťky vrstvy SEI zlepšuje vodivost lithiových iontů skrze ni, což má za následek zlepšený provoz baterie.

Během nevratné tvorby vrstvy SEI se trvale spotřebovává určité množství iontů elektrolytu a lithia. Spotřeba lithiových iontů během tvorby SEI tedy vede k trvalé ztrátě kapacity. S mnoha opakovanými cykly nabíjení a vybíjení dojde k růstu SEI, což způsobí zvýšení impedance baterie, zvýšení teploty a špatnou hustotu výkonu.

Funkční vlastnosti SEI

SEI je v baterii nevyhnutelné. avšak účinek SEI lze minimalizovat, pokud vytvořená vrstva přilne k následujícímu

• Musí blokovat přímý kontakt elektronů s elektrolytem, protože kontakt mezi elektrony z elektrod a elektrolytem způsobuje degradaci a redukci elektrolytu.
• Musí to být dobrý iontový vodič. Mělo by to umožnit, aby lithiové ionty z elektrolytu proudily k elektrodám
• Musí být chemicky stabilní, to znamená, že nemůže reagovat s elektrolytem a měl by být v elektrolytu nerozpustný
• Musí být mechanicky stabilní, což znamená, že by měla mít vysokou pevnost, aby snášela expanzní a kontrakční napětí během cyklů nabíjení a vybíjení.
• Musí udržovat stabilitu při různých provozních teplotách a potenciálech
• Jeho tloušťka by se měla blížit několika nanometrům

Ovládání SEI

Stabilizace a kontrola SEI jsou zásadní pro lepší výkon a bezpečný provoz buňky. ALD (nanášení atomové vrstvy) a MLD (nanášení molekulární vrstvy) na elektrody řídí růst SEI.

Al ₂ O ₃ (ALD povlak) s bandgap 9,9 eV potažený na ovládání elektrod a stabilizuje růst SEI díky své pomalé rychlosti přenosu elektronů. Tím se sníží rozklad elektrolytu a spotřeba Li-ion. Stejným způsobem alkoxid hlinitý, jeden z povlaků MLD řídí tvorbu vrstvy SEI. Tyto povlaky ALD a MLD snižují ztrátu kapacity a zlepšují coulombickou účinnost.