Forståelse af solid elektrolytgrænseflade (sei) for at forbedre lithiumionbatteriets ydeevne

Disse dage får lithium-ion-batterier mere opmærksomhed på grund af deres udbredte anvendelse i elektriske køretøjer, strømforsyningssikkerhedskopier, mobiltelefoner, bærbare computere, smartwatches og andre bærbare elektroniske varer osv. Der sker meget forskning på lithiumbatterier med den øgede efterspørgsel efter elektriske køretøjer til meget bedre ydelse. En vigtig parameter, der nedsætter lithiumbatteriets ydeevne og levetid, er udviklingen af en solid elektrolytgrænseflade (SEI),dette er et solidt lag, der bygger inde i lithiumbatteriet, når vi begynder at bruge det. Dannelsen af dette faste lag blokerer passagen mellem elektrolytten og elektroderne, der i høj grad påvirker batteriets ydeevne. I denne artikel vil vi lære mere om denne Solid elektrolytinterface (SEI), dens egenskaber, hvordan den dannes, og vil også diskutere, hvordan man styrer den for at øge ydeevnen og levetiden for et Lithium-batteri. Bemærk, at nogle mennesker også kaldte Solid Electrolyte Interface som Solid Electrolyte Interphase (SEI), begge udtryk bruges ombytteligt samlet forskningspapirer, og det er derfor svært at argumentere for, hvilket er det rigtige udtryk. Af hensyn til denne artikel holder vi os til den faste elektrolytgrænseflade.

Lithium-ion-batterier:

Før vi dykker dybt ned i SEI, lad os revidere lidt om det grundlæggende i Li-ion-celler, så vi bedre forstår konceptet. Hvis du er helt ny med elektriske køretøjer, skal du kontrollere denne Alt hvad du vil vide om elektriske køretøjsbatterier for at forstå EV-batterier, før du går videre.

Lithium-ion-batterier består af anode (negativ elektrode), katode (positiv elektrode), elektrolyt og separator.

Anode: Grafit, kønrøg, lithiumtitanat (LTO), silicium og grafen er nogle af de mest foretrukne anodematerialer. Oftest grafit, belagt på kobberfolie anvendt som anode. Grafits rolle er at fungere som et lagringsmedium for lithiumioner. Reversibel interkalering af frigjorte lithiumioner kan let udføres i grafitten på grund af den løst bundne lagdelte struktur.

Katode: Ren lithium med en valanceelektron på sin ydre skal er yderst reaktiv og ustabil, således at stabilt lithiummetaloxid, belagt på aluminiumsfolie, anvendes som katoden. Lithiummetaloxider som lithiumnikkel mangan cobaltoxid ("NMC", LiNixMnyCozO2), Lithium nikkel kobolt aluminiumoxid ("NCA", LiNiCoAlO2), Lithium manganoxid ("LMO", LiMn2O4), Lithium jernphosphat ("LFP4", LiFe) Anvendes lithiumcobaltoxid (LiCoO2, "LCO") som katoder.

Elektrolyt: Elektrolyt mellem de negative og positive elektroder skal være en god ionleder og en elektronisk isolator, der betyder, at den skal tillade lithiumioner og skal blokere elektronerne igennem den under opladnings- og afladningsprocessen. en elektrolyt er en blanding af organiske carbonatopløsningsmidler, såsom ethylencarbonat eller diethylcarbonat og Li-ion-salte, såsom lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), lithiumperchlorat (LiClO4), lithiumhexafluorarsenatmonohydrat (LiAsF6), lithiumtriflat (LiCF3S tetrafluorborat (LiBF4).

Separator: Separator er en kritisk komponent i elektrolytten. Det fungerer som et isolerende lag mellem anode og katode for at undgå kortslutning mellem dem, samtidig med at lithiumionerne fra katoden til anoden og omvendt under opladning og afladning. I lithium-ion-batterier anvendes hovedsageligt polyolefin som separator.

Opladning

Under opladningsprocessen, når vi forbinder en strømkilde på tværs af batteriet, giver det energi med et lithiumatom, lithiumioner og elektroner ved den positive elektrode. Disse Li-ioner passerer gennem elektrolytten og opbevares i den negative elektrode, mens elektroner bevæger sig gennem det eksterne kredsløb. Under afladningsprocessen, når vi forbinder ekstern belastning over batteriet, bevæger de ustabile Li-ioner, der er lagret i negativ elektrode, tilbage til metaloxidet ved den positive elektrode, og elektroner cirkulerer gennem belastningen. Her fungerer aluminium og kobberfolier som nuværende samlere.

SEI-dannelse:

I Li-ion-batterier er den første opladning den mængde lithium-ion, der gives af den positive elektrode, mindre end antallet af lithiumioner, der er rejst tilbage til katoden efter den første afladning. Dette skyldes dannelsen af SEI (solid elektrolytinterface). I de første få opladnings- og afladningscyklusser, når elektrolyt kommer i kontakt med elektroden, reagerer opløsningsmidler i en elektrolyt, der ledsages af lithiumionerne under opladning, med elektroden og begynder at nedbrydes. Denne nedbrydning resulterer i dannelse af LIF, Li ₂ O, LiCI, Li ₂ CO ₃ forbindelser. Disse komponenter udfældes på elektroden og danner et par nanometer tykke lag kaldet fast elektrolytinterface (SEI) . Dette passiverende lag beskytter elektroden mod korrosion og yderligere forbrug af elektrolyt, dannelsen af SEI forekommer i to trin.

Stadier af SEI-dannelse:

Den første fase af SEI-dannelse finder sted, før lithiumioner indgår i anoden. På dette stadium dannes ustabilt og meget modstandsdygtigt SEI-lag. Den anden fase af dannelsen af SEI-lag sker samtidigt med indbinding af lithiumioner på anoden. Den resulterende SEI-film er porøs, kompakt, heterogen, isolerende over for elektroner, der tunneler og ledende for lithiumioner. Når SEI-laget er dannet, modstår det elektrolytbevægelsen gennem det passiverende lag til elektroden. Så det styrer den yderligere reaktion mellem elektrolyt- og lithiumioner, elektroner ved elektroden og således begrænser den yderligere SEI-vækst.

Betydningen og virkningerne af SEI

SEI-laget er den vigtigste og mindre forståede komponent i elektrolytten. Selvom opdagelsen af SEI-laget er utilsigtet, men et effektivt SEI-lag er vigtigt for batteriets lange levetid, gode cykelevne, høje ydeevne, sikkerhed og stabilitet. Dannelsen af SEI-laget er en af de vigtige overvejelser i design af batterier for bedre ydelse. Godt overholdt SEI på elektroder opretholder god cykelevne ved at forhindre yderligere forbrug af elektrolytten. Korrekt afstemning af porøsitet og tykkelse af SEI-laget forbedrer lithiumionernes ledningsevne gennem det, resulterer i forbedret batteridrift.

Under den irreversible dannelse af SEI-laget forbruges en vis mængde elektrolyt- og lithiumioner permanent. Forbruget af lithiumioner under dannelsen af SEI resulterer således i et permanent kapacitetstab. Der vil være SEI-vækst med de mange gentagne opladninger og afladningscyklusser, hvilket medfører en stigning i batteriets impedans, temperaturstigning og dårlig effekttæthed.

Funktionelle egenskaber ved SEI

SEI er uundgåelig i et batteri. virkningen af SEI kan imidlertid minimeres, hvis det dannede lag overholder det følgende

Det skal blokere elektronens direkte kontakt med elektrolyt, fordi kontakt mellem elektroner fra elektroderne og elektrolytten forårsager nedbrydning og reduktion af elektrolyt.
Det skal være en god ionleder. Det skal tillade lithiumioner fra en elektrolyt at strømme til elektroderne
Det skal være kemisk stabilt, hvilket betyder, at det ikke kan reagere med elektrolyt og bør være uopløseligt i elektrolytten
Det skal være mekanisk stabilt, hvilket betyder, at det skal have en høj styrke til at tolerere ekspansions- og sammentrækningsspændinger under opladning og afladning.
Det skal opretholde stabiliteten ved forskellige driftstemperaturer og potentialer
Dens tykkelse skal være tæt på et par nanometer

Kontrol af SEI

Stabilisering og kontrol af SEI er afgørende for forbedret ydeevne og sikker drift af cellen. ALD (atomaflejring) og MLD (belægning aflejring) belægninger på elektroder styrer SEI-væksten.

Al ₂ O ₃ (ALD-belægning) med båndgabet på 9,9 eV belagt på elektrodereguleringer og stabiliserer SEI-væksten på grund af dens langsomme elektronoverførselshastighed. Dette vil reducere elektrolytnedbrydningen og Li-ionforbruget. På samme måde styrer aluminiumalkoxid en af MLD-belægningerne SEI-lagets ophobning. Disse ALD- og MLD-belægninger reducerer kapacitetstabet og forbedrer den coulombiske effektivitet.