Разбиране на интерфейса от твърд електролит (sei) за подобряване на производителността на литиево-йонната батерия

В наши дни литиево-йонните батерии придобиват повече внимание поради широкото им приложение в електрически превозни средства, резервни копия на енергия, мобилни телефони, преносими компютри, интелигентни часовници и други преносими електронни стоки и т.н. електрически превозни средства за много по-добра производителност. Един важен параметър, който намалява производителността и живота на литиевата батерия, е разработването на твърд електролитен интерфейс (SEI),това е твърд слой, който се натрупва вътре в литиевата батерия, когато започнем да я използваме. Образуването на този твърд слой блокира преминаването между електролита и електродите, оказвайки силно влияние върху работата на батерията. В тази статия ще научим повече за този твърд електролитен интерфейс (SEI), неговите свойства, как се образува и ще обсъдим също как да го управляваме, за да увеличим производителността и живота на литиева батерия. Имайте предвид, че някои хора също наричат Solid Electrolyte Interface като Solid Electrolyte Interphase (SEI), и двата термина се използват взаимозаменяемо като цяло изследователски статии и затова е трудно да се спори кой е правилният термин. Заради тази статия ще се придържаме към интерфейса на твърдия електролит.

Литиево-йонни батерии:

Преди да се потопим дълбоко в SEI, нека преразгледаме малко основите на Li-йонните клетки, за да разберем по-добре концепцията. Ако сте напълно нови в електрическите превозни средства, тогава проверете това Всичко, което искате да знаете за статията за електрически превозни средства, за да разберете EV батериите, преди да продължите по-нататък.

Литиево-йонните батерии се състоят от анод (отрицателен електрод), катод (положителен електрод), електролит и сепаратор.

Анод: Графит, сажди, литиев титанат (LTO), силиций и графен са едни от най-предпочитаните анодни материали. Най-често графит, покрит с медно фолио, използван като анод. Ролята на графита е да действа като среда за съхранение на литиеви йони. Обратимото интеркалиране на освободените литиеви йони може лесно да се направи в графита поради слабо свързаната му слоеста структура.

Катод: Чистият литий с един валантен електрон върху външната си обвивка е силно реактивен и нестабилен, така че стабилният литиев метален оксид, покрит върху алуминиево фолио, се използва като катод. Литиево-метални оксиди като литиево-никелов манганов кобалтов оксид ("NMC", LiNixMnyCozO2), литиево-никелов кобалтов алуминиев оксид ("NCA", LiNiCoAlO2), литиево-манганов оксид ("LMO", LiMn2O4), литиев железен фосфат), Като катоди се използват литиев кобалтов оксид (LiCoO2, "LCO").

Електролит: Електролитът между отрицателния и положителния електрод трябва да бъде добър йонен проводник и електронен изолатор, което означава, че трябва да позволява на литиевите йони и да блокира електроните през него по време на процеса на зареждане и разреждане. електролит е смес от органични карбонатни разтворители като етилен карбонат или диетил карбонат и литиево-йонни соли като литиев хексафлуорофосфат (LiPF6), литиев перхлорат (LiClO4), литиев хексафлуороарсенат монохидрат (LiAsF6), литиев трифлат3 (LiCF3) тетрафлуороборат (LiBF4).

Сепаратор: Сепараторът е критичен компонент в електролита. Той действа като изолиращ слой между анода и катода, за да се избегне късото съединение между тях, като същевременно позволява на литиевите йони от катода към анода и обратно по време на зареждане и разреждане. В литиево-йонните батерии като сепаратор се използва предимно полиолефин.

Зареждане

По време на процеса на зареждане, когато свързваме източник на захранване през батерията, енергийният литиев атом дава литиеви йони и електрони в положителния електрод. Тези Li-йони преминават през електролита и се съхраняват в отрицателния електрод, докато електроните пътуват през външната верига. По време на процеса на разреждане, когато свързваме външен товар през батерията, нестабилните Li-йони, съхранявани в отрицателен електрод, се връщат обратно към металния оксид при положителния електрод и електроните циркулират през товара. Тук алуминиевите и медни фолиа действат като токоприемници.

Формиране на SEI:

В литиево-йонните батерии, при първото зареждане, количеството литиево-йонно дадено от положителния електрод е по-малко от броя на литиевите йони, върнати обратно до катода след първото разреждане. Това се дължи на образуването на SEI (твърд електролитен интерфейс). През първите няколко цикъла на зареждане и разреждане, когато електролитът влезе в контакт с електрода, разтворители в електролит, които са придружени от литиеви йони по време на зареждане, реагират с електрода и започват да се разлагат. Това разлагане води до образуването на съединения LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Тези компоненти се утаяват върху електрода и образуват няколко нанометрови дебели слоя, наречени твърд електролитен интерфейс (SEI) . Този пасивиращ слой предпазва електрода от корозия и по-нататъшно потребление на електролит, образуването на SEI се осъществява на два етапа.

Етапи на формиране на SEI:

В първия етап на образуване на SEI се извършва преди литиев йони включване в анода. На този етап се формира нестабилен и силно резистивен слой SEI. На втория етап на образуване на SEI слой става едновременно с вмъкване на литиеви йони на анода. Полученият SEI филм е порест, компактен, хетерогенен, изолиращ към електроните тунели и проводящ за литиеви йони. След като SEI слоят се формира, той се противопоставя на електролитното движение през пасивиращия слой към електрода. Така че той контролира по-нататъшната реакция между електролит и литиеви йони, електрони в електрода и по този начин ограничава по-нататъшния растеж на SEI.

Значение и ефекти на SEI

SEI слоят е най-важният и по-малко разбираем компонент в електролита. Въпреки че откриването на SEI слоя е случайно, но ефективният SEI слой е важен за дългия живот, добрата способност за колоездене, висока производителност, безопасност и стабилност на батерията. Образуването на SEI слоя е едно от важните съображения при проектирането на батерии за по-добра производителност. Добре залепеният SEI на електродите поддържа добра циклична способност, като предотвратява по-нататъшната консумация на електролита. Правилната настройка на порьозността и дебелината на SEI слоя подобрява проводимостта на литиевите йони през него, което води до подобрена работа на батерията.

По време на необратимото образуване на SEI слоя постоянно се изразходват определено количество електролит и литиеви йони. По този начин консумацията на литиеви йони по време на образуването на SEI води до трайна загуба на капацитет. Ще има нарастване на SEI с многото повтарящи се цикли на зареждане и разреждане, което води до нарастване на импеданса на батерията, повишаване на температурата и лоша плътност на мощността.

Функционални свойства на SEI

SEI е неизбежен при батерия. ефектът от SEI обаче може да бъде сведен до минимум, ако образуваният слой се придържа към следното

Той трябва да блокира директния контакт на електроните с електролит, тъй като контактът между електроните от електродите и електролита причинява разграждане и намаляване на електролита.
Трябва да е добър йонен проводник. Той трябва да позволи на литиевите йони от електролит да текат към електродите
Той трябва да бъде химически стабилен, което означава, че не може да реагира с електролит и трябва да бъде неразтворим в електролита
Той трябва да бъде механично стабилен, което означава, че трябва да има висока якост, за да толерира напреженията на разширение и свиване по време на циклите на зареждане и разреждане.
Той трябва да поддържа стабилността при различни работни температури и потенциали
Дебелината му трябва да бъде близо до няколко нанометра

Контролиране на SEI

Стабилизирането и контролът на SEI са от решаващо значение за подобрената производителност и безопасна работа на клетката. Покритията ALD (отлагане на атомния слой) и MLD (отлагане на молекулярния слой) върху електродите контролират растежа на SEI.

Al ₂ O ₃ (ALD покритие) с пропускателна способност от 9,9 eV, покрита с електроди и стабилизира нарастването на SEI поради бавната си скорост на електронен трансфер. Това ще намали разграждането на електролитите и разхода на Li-йони. По същия начин Алуминиевият алкоксид, едно от MLD покритията контролира натрупването на SEI слоя. Тези ALD и MLD покрития намаляват загубата на капацитет, подобряват кулонамичната ефективност.