Понимание интерфейса твердого электролита (sei) для повышения производительности литий-ионного аккумулятора

В наши дни литий-ионные батареи привлекают все больше внимания из-за их широкого применения в электромобилях, устройствах резервного копирования, мобильных устройствах, ноутбуках, умных часах и других портативных электронных товарах и т. Д. электромобили для гораздо большей производительности. Одним из важных параметров, снижающих производительность и срок службы литиевой батареи, является разработка интерфейса твердого электролита (SEI),это твердый слой, который образуется внутри литиевой батареи, когда мы начинаем ее использовать. Образование этого твердого слоя блокирует проход между электролитом и электродами, что сильно влияет на производительность батареи. В этой статье мы узнаем больше об этом интерфейсе с твердым электролитом (SEI), его свойствах, о том, как он образуется, а также обсудим, как управлять им, чтобы повысить производительность и срок службы литиевой батареи. Обратите внимание, что некоторые люди также называют твердый электролитный интерфейс как твердый электролитный интерфейс (SEI), оба термина используются взаимозаменяемо во всех исследовательских работах, и поэтому трудно спорить о том, какой термин является правильным. В этой статье мы остановимся на интерфейсе твердого электролита.

Литий-ионные аккумуляторы:

Прежде чем мы углубимся в SEI, давайте немного пересмотрим основы литий-ионных элементов, чтобы лучше понять концепцию. Если вы совершенно не знакомы с электромобилями, ознакомьтесь со статьей Все, что вы хотите знать о батареях для электромобилей, чтобы понять батареи электромобилей, прежде чем продолжить.

Литий-ионные батареи состоят из анода (отрицательный электрод), катода (положительный электрод), электролита и сепаратора.

Анод: графит, технический углерод, титанат лития (LTO), кремний и графен являются одними из наиболее предпочтительных анодных материалов. Чаще всего в качестве анода используется графит, покрытый медной фольгой. Роль графита заключается в том, чтобы действовать как накопитель для ионов лития. Обратимая интеркаляция высвободившихся ионов лития может быть легко осуществлена ​​в графите благодаря его слабосвязанной слоистой структуре.

Катод: чистый литий, имеющий один валентный электрон на внешней оболочке, является очень реактивным и нестабильным, поэтому в качестве катода используется стабильный оксид металлического лития, нанесенный на алюминиевую фольгу. Оксиды металлов лития, такие как оксид лития, никеля, марганца, кобальта («NMC», LiNixMnyCozO2), оксид лития, никеля, кобальта, алюминия («NCA», LiNiCoAlO2), оксид лития-марганца («LMO», LiMn2O4), фосфат лития-железа («LFP», LiFe), Оксид лития-кобальта (LiCoO2, «LCO») используются в качестве катодов.

Электролит: Электролит между отрицательным и положительным электродами должен быть хорошим ионным проводником и электронным изолятором, что означает, что он должен пропускать ионы лития и должен блокировать проходящие через него электроны во время процесса зарядки и разрядки. электролит представляет собой смесь органических карбонатных растворителей, таких как этиленкарбонат или диэтилкарбонат, и литий-ионных солей, таких как гексафторфосфат лития (LiPF6), перхлорат лития (LiClO4), моногидрат гексафторарсената лития (LiAsF6), трифлат лития 3 (LiCF3) тетрафторборат (LiBF4).

Сепаратор: Сепаратор является важным компонентом электролита. Он действует как изолирующий слой между анодом и катодом, чтобы избежать короткого замыкания между ними, позволяя ионам лития от катода к аноду и наоборот во время зарядки и разрядки. В литий-ионных батареях в качестве разделителя используется в основном полиолефин.

Заряд

Во время процесса зарядки, когда мы подключаем источник питания к батарее, активированный атом лития дает ионы и электроны лития на положительном электроде. Эти ионы лития проходят через электролит и накапливаются в отрицательном электроде, в то время как электроны проходят через внешнюю цепь. Во время процесса разряда, когда мы подключаем внешнюю нагрузку к батарее, нестабильные ионы лития, хранящиеся в отрицательном электроде, возвращаются к оксиду металла на положительном электроде, а электроны циркулируют через нагрузку. Здесь алюминиевая и медная фольга действуют как токоприемники.

Формирование ГЭИ:

В литий-ионных батареях при первой зарядке количество литий-ионных ионов, отдаваемых положительным электродом, меньше, чем количество ионов лития, отправленных обратно на катод после первой разрядки. Это связано с образованием SEI (твердый электролитный интерфейс). В течение первых нескольких циклов заряда и разряда, когда электролит контактирует с электродом, растворители в электролите, которые сопровождаются ионами лития во время зарядки, вступают в реакцию с электродом и начинают разлагаться. Это разложение приводит к образованию соединений LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Эти компоненты осаждаются на электроде и образуют слои толщиной в несколько нанометров, называемые границей твердого электролита (SEI) . Этот пассивирующий слой защищает электрод от коррозии и дальнейшего расхода электролита, образование SEI происходит в два этапа.

Этапы формирования ГЭИ:

Первый этап формирования SEI происходит перед включением ионов лития в анод. На этом этапе формируется нестабильный высокоомный слой SEI. Второй этап формирования слоя SEI происходит одновременно с интеркаляции ионов лития на аноде. Полученная пленка SEI является пористой, компактной, неоднородной, изолирующей для туннелирующих электронов и проводящей для ионов лития. Как только слой SEI образуется, он сопротивляется движению электролита через пассивирующий слой к электроду. Таким образом, он контролирует дальнейшую реакцию между электролитом и ионами лития, электронами на электроде и тем самым ограничивает дальнейший рост SEI.

Важность и последствия SEI

Слой SEI является наиболее важным и менее понятным компонентом электролита. Хотя обнаружение слоя SEI случайно, но эффективный слой SEI важен для длительного срока службы, хорошей способности к циклированию, высокой производительности, безопасности и стабильности батареи. Формирование слоя SEI - одно из важных соображений при разработке аккумуляторов для повышения производительности. Хорошо приклеенный SEI на электродах поддерживает хорошую цикличность, предотвращая дальнейшее потребление электролита. Правильная настройка пористости и толщины слоя SEI улучшает проводимость ионов лития через него, в результате улучшается работа батареи.

Во время необратимого образования слоя SEI определенное количество электролита и ионов лития постоянно расходуется. Таким образом, расход ионов лития во время образования SEI приводит к необратимой потере емкости. Будет расти SEI из-за множества повторяющихся циклов зарядки и разрядки, что приводит к увеличению импеданса батареи, повышению температуры и низкой удельной мощности.

Функциональные свойства SEI

SEI неизбежен в батарее. однако эффект SEI можно свести к минимуму, если сформированный слой будет придерживаться следующих

• Он должен блокировать прямой контакт электронов с электролитом, потому что контакт между электронами от электродов и электролитом вызывает деградацию и восстановление электролита.
• Он должен быть хорошим ионным проводником. Он должен позволить ионам лития из электролита течь к электродам.
• Он должен быть химически стабильным, что означает, что он не может вступать в реакцию с электролитом и не должен растворяться в электролите.
• Он должен быть механически устойчивым, что означает, что он должен иметь высокую прочность, чтобы выдерживать напряжения расширения и сжатия во время циклов зарядки и разрядки.
• Он должен сохранять стабильность при различных рабочих температурах и потенциалах.
• Его толщина должна быть близка к нескольким нанометрам.

Контроль SEI

Стабилизация и управление SEI имеют решающее значение для повышения производительности и безопасной работы ячейки. Покрытия на электродах ALD (осаждение атомного слоя) и MLD (осаждение молекулярного слоя) контролируют рост SEI.

Al ₂ O ₃ (покрытие ALD) с шириной запрещенной зоны 9,9 эВ, нанесенный на электрод, регулирует и стабилизирует рост SEI из-за его низкой скорости переноса электронов. Это снизит разложение электролита и потребление литий-ионных аккумуляторов. Таким же образом алкоксид алюминия, одно из покрытий MLD, контролирует образование слоя SEI. Эти покрытия ALD и MLD уменьшают потерю емкости, улучшают кулоновский КПД.