Razumijevanje sučelja čvrstog elektrolita (sei) za poboljšanje performansi litij-ionske baterije

Ovih dana litij-ionske baterije dobivaju više pozornosti zbog svoje široke primjene u električnim vozilima, sigurnosnim kopijama, mobitelima, prijenosnim računalima, pametnim satovima i drugoj prijenosnoj elektroničkoj robi itd. Mnogo se istraživanja događa na litij-baterijama s povećanom potražnjom za električna vozila za puno bolje performanse. Jedan važan parametar koji smanjuje performanse i vijek trajanja litijeve baterije je razvoj čvrstog elektrolitskog sučelja (SEI),ovo je čvrsti sloj koji se gradi unutar litijeve baterije kada je počnemo koristiti. Stvaranje ovog čvrstog sloja blokira prolaz između elektrolita i elektroda u velikoj mjeri utječući na rad baterije. U ovom ćemo članku naučiti više o ovom čvrstom elektrolitskom sučelju (SEI), njegovim svojstvima, kako nastaje, a također ćemo raspravljati o načinu upravljanja njime radi povećanja performansi i vijeka trajanja litijeve baterije. Imajte na umu da su neki ljudi sučelje solidnog elektrolita nazivali i interfazom čvrstog elektrolita (SEI), a oba su pojma naizmjenično korištena u cjelokupnim istraživačkim radovima, pa je stoga teško raspravljati o tome koji je točan izraz. Radi ovog članka pridržat ćemo se sučelja čvrstog elektrolita.

Litij-ionske baterije:

Prije nego što zaronimo duboko u SEI, preispitajmo malo osnova Li-ionskih stanica kako bismo bolje razumjeli koncept. Ako ste potpuno novi u električnim vozilima, pogledajte ovo Sve što želite znati o baterijama za električna vozila kako biste razumjeli EV baterije prije nego što nastavite dalje.

Litij-ionske baterije čine anoda (negativna elektroda), katoda (pozitivna elektroda), elektrolit i separator.

Anoda: Grafit, čađa, litij titanat (LTO), silicij i grafen neki su od najpoželjnijih anodnih materijala. Najčešće grafit, presvučen bakrenom folijom koja se koristi kao anoda. Uloga grafita je da djeluje kao medij za pohranu litijevih iona. Reverzibilna interkalacija oslobođenih litijevih iona može se lako izvršiti u grafitu zbog svoje labavo povezane slojevite strukture.

Katoda: Čisti litij koji ima jedan valentni elektron na vanjskoj ljusci vrlo je reaktivan i nestabilan, tako da stabilni litijev metalni oksid, presvučen na aluminijskoj foliji koristi kao katoda. Litij-metalni oksidi poput litij-nikl-mangan-kobalt-oksida ("NMC", LiNixMnyCozO2), litij-nikal-kobalt-aluminijev oksid ("NCA", LiNiCoAlO2), litij-mangan-oksid ("LMO", LiMn2O4), litij-željezov fosfat (LF)), Kao katode koriste se litij-kobaltov oksid (LiCoO2, "LCO").

Elektrolit: Elektrolit između negativne i pozitivne elektrode mora biti dobar ionski vodič i elektronički izolator što znači da mora dopustiti litijeve ione i mora blokirati elektrone kroz njega tijekom procesa punjenja i pražnjenja. elektrolit je smjesa organskih karbonatnih otapala poput etilen karbonata ili dietil karbonata i Li-ionskih soli kao što su litij heksafluorofosfat (LiPF6), litij perklorat (LiClO4), litij heksafluoroarsenat monohidrat (LiAsF6), litij triflat3, litij triflat3 tetrafluoroborata (LiBF4).

Separator: Separator je kritična komponenta u elektrolitu. Djeluje kao izolacijski sloj između anode i katode kako bi se izbjegao kratki spoj između njih, istovremeno dopuštajući litijevim ionima od katode do anode i obrnuto tijekom punjenja i pražnjenja. U litij-ionskim baterijama uglavnom se koristi poliolefin kao separator.

Charg

Tijekom postupka punjenja kada na bateriju priključimo izvor napajanja, energizirani atom litija daje litijeve ione i elektrone na pozitivnoj elektrodi. Ti Li-ioni prolaze kroz elektrolit i pohranjuju se u negativnu elektrodu, dok elektroni putuju kroz vanjski krug. Tijekom postupka pražnjenja kada povežemo vanjsko opterećenje preko baterije, nestabilni Li-ioni pohranjeni u negativnoj elektrodi putuju natrag u metalni oksid na pozitivnoj elektrodi i elektroni cirkuliraju kroz opterećenje. Ovdje aluminijske i bakrene folije djeluju kao sakupljači struje.

Formiranje SEI:

U litij-ionskim baterijama, za prvo punjenje, količina litij-iona koju daje pozitivna elektroda manja je od broja litijevih iona koji se vraćaju na katodu nakon prvog pražnjenja. To je zbog stvaranja SEI (sučelje čvrstog elektrolita). Prvih nekoliko ciklusa punjenja i pražnjenja, kada elektrolit dođe u kontakt s elektrodom, otapala u elektrolitu koja su popraćena litijevim ionima tijekom punjenja reagiraju s elektrodom i počinju se raspadati. Ovi rezultati raspadanja u formiranju LIF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ spojeva. Te se komponente talože na elektrodi i tvore nekoliko nanometara debelih slojeva nazvanih sučelje čvrstog elektrolita (SEI) . Ovaj pasivizirajući sloj štiti elektrodu od korozije i daljnje potrošnje elektrolita, stvaranje SEI događa se u dvije faze.

Faze formiranja SEI:

Prva faza stvaranja SEI odvija pred litija uključivanje u anode. U ovoj fazi nastaje nestabilni i vrlo otporni SEI sloj. Druga faza SEI formiranja sloja događa istovremeno s umetanjem litij iona na anodu. Rezultirajući SEI film je porozan, kompaktan, heterogen, izolirajući elektrone u tunelu i vodljiv za litijeve ione. Jednom kada se sloj SEI formira, on se odupire kretanju elektrolita kroz pasivizirajući sloj do elektrode. Tako da kontrolira daljnju reakciju između elektrolita i litijevih iona, elektrona na elektrodi i na taj način ograničava daljnji rast SEI.

Važnost i učinci SEI

SEI sloj je najvažnija i manje razumljiva komponenta u elektrolitu. Iako je otkriće SEI sloja slučajno, ali učinkovit SEI sloj važan je za dugi vijek trajanja, dobre biciklističke sposobnosti, visoke performanse, sigurnost i stabilnost baterije. Formiranje SEI sloja jedno je od važnih razmatranja pri projektiranju baterija za bolje performanse. Dobro zalijepljeni SEI na elektrodama održava dobru cikličku sposobnost sprečavanjem daljnje potrošnje elektrolita. Ispravno podešavanje poroznosti i debljine SEI sloja poboljšava vodljivost litijevih iona kroz njega, što rezultira poboljšanim radom baterije.

Tijekom nepovratnog stvaranja SEI sloja trajno se troši određena količina elektrolitnih i litijevih iona. Stoga potrošnja litijevih iona tijekom stvaranja SEI rezultira trajnim gubitkom kapaciteta. Zabilježit će se rast SEI s mnogim ponovljenim ciklusima punjenja i pražnjenja, što uzrokuje povećanje impedancije baterije, porast temperature i lošu gustoću snage.

Funkcionalna svojstva SEI

SEI je neizbježan u bateriji. međutim, učinak SEI može se minimizirati ako se formirani sloj pridržava sljedećeg

• Mora blokirati izravan kontakt elektrona s elektrolitom, jer kontakt između elektrona s elektroda i elektrolita uzrokuje razgradnju i smanjenje elektrolita.
• To mora biti dobar ionski vodič. Trebao bi omogućiti litijevim ionima iz elektrolita protok do elektroda
• Mora biti kemijski stabilna, što znači da ne može reagirati s elektrolitom i trebao bi biti netopiv u elektrolitu
• Mora biti mehanički stabilna, što znači da treba imati visoku čvrstoću da podnosi naprezanja širenja i stezanja tijekom ciklusa punjenja i pražnjenja.
• Mora održavati stabilnost pri različitim radnim temperaturama i potencijalima
• Njegova debljina trebala bi biti blizu nekoliko nanometara

Kontrola SEI-a

Stabilizacija i kontrola SEI presudni su za poboljšane performanse i siguran rad stanice. Premazi ALD (taloženje atomskog sloja) i MLD (taloženje molekularnim slojem) na elektrodama kontroliraju rast SEI.

Al ₂ O ₃ (ALD prevlaka) s pojasnim razmakom od 9,9 eV presvučenim na upravljačima elektroda i stabilizira rast SEI zbog svoje spore brzine prijenosa elektrona. To će smanjiti razgradnju elektrolita i potrošnju Li-iona. Na isti način Aluminijev alkoksid, jedan od MLD premaza kontrolira nakupljanje SEI sloja. Ovi ALD i MLD premazi smanjuju gubitak kapaciteta, poboljšavaju kulomsku učinkovitost.