Förstå solid elektrolytgränssnitt (sei) för att förbättra litiumjonbatteriets prestanda

Dessa dagar får litiumjonbatterier mer uppmärksamhet på grund av sin omfattande tillämpning inom elfordon, strömbackups, mobiler, bärbara datorer, smartklockor och andra bärbara elektroniska varor etc. mycket forskning pågår på litiumbatterier med den ökade efterfrågan elektriska fordon för mycket bättre prestanda. En viktig parameter som minskar litiumbatteriets prestanda och livslängd är utvecklingen av ett solidt elektrolytgränssnitt (SEI),detta är ett fast lager som byggs inuti litiumbatteriet när vi börjar använda det. Bildningen av detta fasta skikt blockerar passagen mellan elektrolyten och elektroderna som kraftigt påverkar batteriets prestanda. I den här artikeln kommer vi att lära oss mer om detta Solid elektrolytgränssnitt (SEI), dess egenskaper, hur det bildas och kommer också att diskutera hur man styr det för att öka prestandan och livslängden för ett litiumbatteri. Observera att vissa människor också kallas Solid Electrolyte Interface som Solid Electrolyte Interphase (SEI), båda termerna används omväxlande övergripande forskningspapper och därför är det svårt att argumentera för vilken som är rätt term. För denna artikel kommer vi att hålla oss till det fasta elektrolytgränssnittet.

Litiumjonbatterier:

Innan vi dyker djupt in i SEI, låt oss revidera lite om grunderna i Li-ion-celler så att vi bättre förstår konceptet. Om du är helt ny på elbilar, kolla in den här Allt du vill veta om artikeln för elbatterier för att förstå EV-batterier innan du fortsätter vidare.

Litiumjonbatterier består av anod (negativ elektrod), katod (positiv elektrod), elektrolyt och separator.

Anod: Grafit, kolsvart, litiumtitanat (LTO), kisel och grafen är några av de mest föredragna anodmaterialen. Vanligtvis grafit, belagd på kopparfolie som används som anod. Grafits roll är att fungera som ett lagringsmedium för litiumjoner. Vändbar interkalering av frigjorda litiumjoner kan enkelt göras i grafiten på grund av den löst bundna skiktstrukturen.

Katod: Rent litium med en valanselektron på dess yttre skal är mycket reaktivt och instabilt, så att stabil litiummetalloxid, belagd på aluminiumfolie som används som katod. Litiummetalloxider som litium nickel mangankobaltoxid ("NMC", LiNixMnyCozO2), litium nickel kobolt aluminiumoxid ("NCA", LiNiCoAlO2), litium manganoxid ("LMO", LiMn2O4), litiumjärnfosfat ("LFP4", LiFe Litiumkobaltoxid (LiCoO2, "LCO") används som katoder.

Elektrolyt: Elektrolyten mellan de negativa och positiva elektroderna måste vara en bra jonledare och en elektronisk isolator som innebär att den måste tillåta litiumjoner och måste blockera elektronerna genom den under laddnings- och urladdningsprocessen. en elektrolyt är en blandning av organiska karbonatlösningsmedel såsom etylenkarbonat eller dietylkarbonat och Li-jonsalter såsom litiumhexafluorfosfat (LiPF6), litiumperklorat (LiClO4), litiumhexafluoroarsenatmonohydrat (LiAsF6), litiumtriflat (LiCF3S tetrafluorborat (LiBF4).

Separator: Separator är en kritisk komponent i elektrolyten. Det fungerar som ett isolerande skikt mellan anod och katod för att undvika kortslutning mellan dem samtidigt som litiumjoner från katoden till anod och vice versa under laddning och urladdning. I litiumjonbatterier används främst polyolefin som separator.

Avgift

Under laddningsprocessen när vi ansluter en strömkälla över batteriet, ger den litiumatomen energi, ger litiumjoner och elektroner vid den positiva elektroden. Dessa Li-joner passerar genom elektrolyten och lagras i den negativa elektroden medan elektroner färdas genom den externa kretsen. Under urladdningsprocessen när vi ansluter extern belastning över batteriet, rör sig de instabila Li-joner som är lagrade i negativ elektrod tillbaka till metalloxiden vid den positiva elektroden och elektroner cirkulerar genom lasten. Här fungerar aluminium- och kopparfolier som nuvarande samlare.

SEI-bildning:

I litiumjonbatterier, för den första laddningen, är mängden litiumjon som ges av den positiva elektroden mindre än antalet litiumjoner som rest tillbaka till katoden efter första urladdningen. Detta beror på bildandet av SEI (fast elektrolytgränssnitt). För de första laddnings- och urladdningscyklerna, när elektrolyten kommer i kontakt med elektroden, reagerar lösningsmedel i en elektrolyt som åtföljs av litiumjoner under laddning med elektroden och börjar sönderdelas. Denna sönderdelning resulterar i bildandet av LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ föreningar. Dessa komponenter fälls ut på elektroden och bildar några nanometer tjocka skikt som kallas fast elektrolytgränssnitt (SEI) . Detta passiverande skikt skyddar elektroden från korrosion och ytterligare förbrukning av elektrolyt, bildandet av SEI sker i två steg.

Stadier av SEI-bildning:

Det första steget av SEI-bildning äger rum innan litiumjoner införs i anoden. I detta skede bildas instabilt och mycket resistivt SEI-lager. Det andra steget av SEI-skiktbildning sker samtidigt med inblandning av litiumjoner på anoden. Den resulterande SEI-filmen är porös, kompakt, heterogen, isolerande mot elektroner tunnlande och ledande för litiumjoner. När SEI-skiktet bildas motstår det elektrolytrörelsen genom det passiverande skiktet till elektroden. Så att den kontrollerar den ytterligare reaktionen mellan elektrolyt- och litiumjoner, elektroner vid elektroden och därmed begränsar den ytterligare SEI-tillväxten.

Betydelsen och effekterna av SEI

SEI-skiktet är den viktigaste och mindre förstådda komponenten i elektrolyten. Även om upptäckten av SEI-skiktet är oavsiktlig, men ett effektivt SEI-lager är viktigt för batteriets långa livslängd, god cykelförmåga, höga prestanda, säkerhet och stabilitet. Bildandet av SEI-skiktet är en av de viktiga övervägandena vid utformningen av batterier för bättre prestanda. Väl vidhäftad SEI på elektroder upprätthåller god cykelförmåga genom att förhindra ytterligare konsumtion av elektrolyten. Korrekt avstämning av porositet och tjocklek hos SEI-skiktet förbättrar litiumjonernas ledningsförmåga genom det, vilket resulterar i förbättrad batteridrift.

Under den irreversibla bildningen av SEI-skiktet förbrukas en viss mängd elektrolyt- och litiumjoner permanent. Således resulterar konsumtionen av litiumjoner under bildandet av SEI i en permanent förlust av kapacitet. Det kommer att finnas SEI-tillväxt med de många upprepade laddningarna och urladdningscyklerna, vilket orsakar ökningen av batteriimpedans, temperaturökning och dålig effekttäthet.

Funktionella egenskaper hos SEI

SEI är oundvikligt i ett batteri. emellertid kan effekten av SEI minimeras om det bildade skiktet följer följande

• Det måste blockera elektronkontaktens direktkontakt med elektrolyt eftersom kontakt mellan elektroner från elektroderna och elektrolyten orsakar nedbrytning och minskning av elektrolyten.
• Det måste vara en bra jonledare. Det bör tillåta litiumjoner från en elektrolyt att strömma till elektroderna
• Det måste vara kemiskt stabilt, vilket innebär att det inte kan reagera med elektrolyt och bör vara olösligt i elektrolyten
• Den måste vara mekaniskt stabil vilket innebär att den ska ha en hög hållfasthet för att tolerera expansions- och sammandragningsspänningar under laddnings- och urladdningscykler.
• Det måste bibehålla stabiliteten vid olika driftstemperaturer och potentialer
• Tjockleken bör vara nära några nanometer

Kontroll av SEI

Stabilisering och kontroll av SEI är avgörande för förbättrad prestanda och säker drift av cellen. ALD-beläggningar (atomskiktsdeposition) och MLD (Molecular layer deposition) på elektroder styr SEI-tillväxten.

Al ₂ O ₃ (ALD-beläggning) med bandgap på 9,9 eV belagd på elektrodkontroller och stabiliserar SEI-tillväxten på grund av dess långsamma elektronöverföringshastighet. Detta minskar nedbrytningen av elektrolyten och litiumjonförbrukningen. På samma sätt som aluminiumalkoxid, en av MLD-beläggningarna styr SEI-lagrets uppbyggnad. Dessa ALD- och MLD-beläggningar minskar kapacitetsförlusten, förbättrar den coulombiska effektiviteten.