Розуміння інтерфейсу твердого електроліту (sei) для поліпшення роботи літій-іонних акумуляторів

У ці дні літій-іонні акумулятори приділяють більше уваги завдяки широкому застосуванню в електромобілях, резервних копіях електроенергії, мобільних телефонах, ноутбуках, розумних годинниках та інших портативних електронних товарах тощо. електромобілі для набагато кращих характеристик. Одним із важливих параметрів, що знижує продуктивність та термін служби літієвої батареї, є розробка твердотільного інтерфейсу електроліту (SEI),це твердий шар, який утворюється всередині літієвої батареї, коли ми починаємо її використовувати. Утворення цього твердого шару блокує прохід між електролітом та електродами, сильно впливаючи на характеристики акумулятора. У цій статті ми дізнаємося більше про цей інтерфейс твердого електроліту (SEI), його властивості, як він утворюється, а також обговоримо, як керувати ним для збільшення продуктивності та терміну служби літієвої батареї. Зауважте, що деякі люди також називають інтерфейс твердого електроліту інтерфейсом твердої електроліту (SEI), обидва терміни використовуються як взаємозамінні загальні наукові праці, і тому важко сперечатися, який правильний термін. Заради цієї статті ми дотримуватимемось інтерфейсу твердого електроліту.

Літій-іонні батареї:

Перш ніж заглибитися в SEI, давайте трохи переглянути основи літій-іонних клітин, щоб ми краще зрозуміли цю концепцію. Якщо ви зовсім новачок в електромобілях, перевірте це Все, що ви хочете знати про статтю електромобілів, щоб зрозуміти електромобілі, перш ніж продовжувати далі.

Літій-іонні батареї складаються з анода (негативний електрод), катода (позитивний електрод), електроліту та сепаратора.

Анод: Графіт, сажа, титанат літію (LTO), кремній та графен є одними з найбільш бажаних анодних матеріалів. Найчастіше графіт, покритий мідною фольгою, використовується як анод. Роль графіту - діяти як середовище для зберігання іонів літію. Зворотна інтеркаляція виділених іонів літію може бути легко виконана в графіті завдяки його слабозв’язаній шаруватої структурі.

Катод: Чистий літій, що має на зовнішній оболонці один валансний електрон, є високореактивним і нестійким, тому стабільний оксид металу літію, покритий алюмінієвою фольгою, використовується як катод. Оксиди металевих літію, такі як оксид кобальту марганцю літію, нікель ("NMC", LiNixMnyCozO2), оксид алюмінію кобальту літію і нікелю ("NCA", LiNiCoAlO2), оксид марганцю літію ("LMO", LiMn2O4), літій-залізо-фосфат літію), В якості катодів використовуються оксид кобальту літію (LiCoO2, "LCO").

Електроліт: Електроліт між негативним і позитивним електродами повинен бути хорошим іонним провідником та електронним ізолятором, що означає, що він повинен пропускати іони літію і повинен блокувати електрони через нього під час процесу зарядки та розрядки. електроліт - це суміш органічних карбонатних розчинників, таких як етиленкарбонат або діетилкарбонат та солі літій-іонів, такі як гексафторфосфат літію (LiPF6), перхлорат літію (LiClO4), моногідрат гексафторарсенату літію (LiAsF6), трифлат літію 3 літію тетрафторборат (LiBF4).

Сепаратор: Сепаратор є найважливішим компонентом електроліту. Він діє як ізолюючий шар між анодом і катодом, щоб уникнути короткого замикання між ними, одночасно пропускаючи іони літію від катода до анода і навпаки під час зарядки та розрядки. У літій-іонних батареях в якості сепаратора використовується переважно поліолефін.

Зарядка

Під час процесу зарядки, коли ми підключаємо джерело живлення до акумулятора, енергія атома літію подає іони літію та електрони на позитивний електрод. Ці літій-іони проходять через електроліт і накопичуються в негативному електроді, тоді як електрони рухаються через зовнішній контур. Під час процесу розряду, коли ми підключаємо зовнішнє навантаження через акумулятор, нестійкі літійони, що зберігаються в негативному електроді, повертаються до оксиду металу на позитивному електроді, і електрони циркулюють через навантаження. Тут алюмінієва та мідна фольга виконують роль струмоприймачів.

Формування ДЕІ:

У літій-іонних акумуляторах для першої зарядки кількість іонів літію, поданого позитивним електродом, менша за кількість іонів літію, що повертається назад до катода після першого розряду. Це пов’язано з утворенням СЕІ (твердий розділ електроліту). У перші кілька циклів заряду та розряду, коли електроліт контактує з електродом, розчинники в електроліті, які супроводжуються іонами літію під час зарядки, реагують з електродом і починають розкладатися. Це розкладання призводить до утворення сполук LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Ці компоненти випадають в осад на електроді і утворюють декілька нанометрових товстих шарів, що називаються твердотільною поверхнею електроліту (SEI) . Цей пасивуючий шар захищає електрод від корозії та подальшого споживання електроліту, утворення SEI відбувається в два етапи.

Етапи формування ДЕІ:

Перший етап формування SEI відбувається перед включенням іонів літію в анод. На цьому етапі формується нестійкий і високорезистивний шар SEI. Другий етап формування шару SEI відбувається одночасно з інтеркаляції іонів літію на аноді. Отримана плівка SEI є пористою, компактною, неоднорідною, ізолюючою до електронів, що проходить тунель, і провідною для іонів літію. Як тільки шар SEI формується, він протистоїть руху електроліту через пасивуючий шар до електрода. Таким чином, він контролює подальшу реакцію між електролітом та іонами літію, електронами на електроді, і таким чином обмежує подальший ріст СЕІ.

Значення та наслідки СЕІ

Шар SEI є найважливішим і менш зрозумілим компонентом електроліту. Хоча виявлення шару SEI є випадковим, але ефективний шар SEI важливий для тривалого терміну служби, хорошої здатності до їзди на велосипеді, високої продуктивності, безпеки та стабільності акумулятора. Формування шару SEI є одним з важливих міркувань при проектуванні акумуляторів для кращих характеристик. Добре прикріплений SEI на електродах підтримує хорошу циклічну здатність, запобігаючи подальшому споживанню електроліту. Правильна настройка пористості та товщини шару SEI покращує провідність іонів літію через нього, що призводить до поліпшення роботи акумулятора.

Під час незворотного утворення шару СЕІ постійно витрачається певна кількість іонів електроліту та літію. Таким чином, споживання іонів літію під час утворення СЕІ призводить до постійної втрати потужності. Збільшення SEI відбуватиметься з безліччю повторюваних циклів зарядки та розряду, що спричиняє збільшення імпедансу батареї, підвищення температури та низьку щільність потужності.

Функціональні властивості SEI

SEI не можна уникнути в акумуляторі. однак ефект SEI можна мінімізувати, якщо сформований шар дотримується наступного

• Він повинен блокувати прямий контакт електронів з електролітом, оскільки контакт між електронами від електродів та електролітом спричиняє деградацію та відновлення електроліту.
• Це повинен бути хороший іонний провідник. Він повинен дозволяти іонам літію від електроліту надходити до електродів
• Він повинен бути хімічно стабільним, що означає, що він не може реагувати з електролітом і повинен бути нерозчинним в електроліті
• Він повинен бути механічно стійким, що означає, що він повинен мати високу міцність, щоб переносити напруги розширення та стискання під час циклів зарядки та розрядки.
• Він повинен підтримувати стабільність при різних робочих температурах та потенціалах
• Його товщина повинна бути близько декількох нанометрів

Контролінг ДЕІ

Стабілізація та контроль СЕІ мають вирішальне значення для поліпшення продуктивності та безпечної роботи клітини. Покриття ALD (осадження атомного шару) та MLD (осадження молекулярним шаром) на електродах контролюють ріст SEI.

Al ₂ O ₃ (покриття ALD) із зазором 9,9 еВ, покритим на електродних регуляторах, і стабілізує ріст СЕІ завдяки повільній швидкості передачі електронів. Це зменшить розкладання електроліту та споживання літій-іонів. Так само, як алкоксид алюмінію, одне з покриттів MLD контролює накопичення шару SEI. Ці покриття ALD та MLD зменшують втрату ємності, покращують кулонні ефективність.