Inzicht in solid electrolyte interface (sei) om de prestaties van lithiumionbatterijen te verbeteren

Tegenwoordig krijgen lithium-ionbatterijen meer aandacht vanwege hun wijdverspreide toepassing in elektrische voertuigen, stroomback-ups, mobiele telefoons, laptops, smartwatches en andere draagbare elektronische goederen, enz. Er wordt veel onderzoek gedaan naar lithiumbatterijen met de toegenomen vraag naar elektrische voertuigen voor veel betere prestaties. Een belangrijke parameter die de prestaties en levensduur van lithiumbatterijen vermindert, is de ontwikkeling van een solide elektrolytinterface (SEI),dit is een stevige laag die zich in de lithiumbatterij opbouwt als we hem gaan gebruiken. De vorming van deze vaste laag blokkeert de doorgang tussen de elektrolyt en elektroden, wat de prestatie van de batterij sterk beïnvloedt. In dit artikel zullen we meer leren over deze vaste elektrolytinterface (SEI), de eigenschappen ervan, hoe deze wordt gevormd en zullen we ook bespreken hoe deze kan worden bestuurd om de prestaties en levensduur van een lithiumbatterij te verbeteren. Merk op dat sommige mensen ook wel Solid Electrolyte Interface genoemd worden als Solid Electrolyte Interphase (SEI), beide termen worden door elkaar gebruikt in algemene onderzoeksdocumenten en daarom is het moeilijk om te discussiëren over wat de juiste term is. Omwille van dit artikel houden we ons aan de vaste elektrolyt-interface.

Lithium-ion batterijen:

Voordat we diep in SEI duiken, laten we de basisprincipes van Li-ion-cellen een beetje herzien, zodat we het concept beter begrijpen. Als u helemaal nieuw bent met elektrische voertuigen, controleer dan dit artikel Alles wat u wilt weten over accu's voor elektrische voertuigen om EV-accu's te begrijpen voordat u verder gaat.

Lithium-ionbatterijen bestaan ​​uit anode (negatieve elektrode), kathode (positieve elektrode), elektrolyt en separator.

Anode: Grafiet, roet, lithiumtitanaat (LTO), silicium en grafeen zijn enkele van de anodematerialen die de meeste voorkeur hebben. Meestal grafiet, gecoat op koperfolie die als anode wordt gebruikt. De rol van grafiet is om te dienen als opslagmedium voor lithiumionen. Omkeerbare intercalatie van vrijgekomen lithiumionen kan gemakkelijk worden gedaan in het grafiet vanwege de losjes gebonden gelaagde structuur.

Kathode: Zuiver lithium met één valance-elektron op de buitenste schil is zeer reactief en onstabiel, zodat stabiel lithiummetaaloxide, gecoat op aluminiumfolie dat als kathode wordt gebruikt. Lithium-metaaloxiden zoals lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide ("NMC", LiNixMnyCozO2), lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxide ("NCA", LiNiCoAlO2), lithium-mangaanoxide ("LMO", LiMn2O4), lithium-ijzerfosfaat ("LFP", LiFePO4)), Worden lithiumkobaltoxide (LiCoO2, "LCO") als kathodes gebruikt.

Elektrolyt: Elektrolyt tussen de negatieve en positieve elektroden moet een goede ionengeleider zijn en een elektronische isolator, wat betekent dat het de lithiumionen moet toelaten en de elektronen erdoorheen moet blokkeren tijdens het laad- en ontlaadproces. een elektrolyt is een mengsel van organische carbonaatoplosmiddelen zoals ethyleencarbonaat of diethylcarbonaat en Li-ionzouten zoals lithiumhexafluorfosfaat (LiPF6), lithiumperchloraat (LiClO4), lithiumhexafluorarsenaatmonohydraat (LiAsF6), lithiumtriflaat (LiCF3SO3) en lithium tetrafluorboraat (LiBF4).

Separator: Separator is een kritieke component in de elektrolyt. Het fungeert als een isolerende laag tussen anode en kathode om kortsluiting ertussen te voorkomen, terwijl de lithiumionen van de kathode naar de anode en vice versa tijdens het laden en ontladen worden toegelaten. In lithium-ionbatterijen wordt meestal polyolefine als afscheider gebruikt.

Charg

Tijdens het laadproces wanneer we een stroombron over de batterij aansluiten, geeft het geactiveerde lithiumatoom lithiumionen en elektronen aan de positieve elektrode. Deze Li-ionen gaan door de elektrolyt en worden opgeslagen in de negatieve elektrode, terwijl elektronen door het externe circuit gaan. Tijdens het ontladingsproces, wanneer we externe belasting over de batterij aansluiten, gaan de onstabiele Li-ionen die zijn opgeslagen in de negatieve elektrode terug naar het metaaloxide bij de positieve elektrode en circuleren elektronen door de belasting. Hier fungeren aluminium- en koperfolies als stroomafnemers.

SEI-formatie:

Bij Li-ion-accu's is voor de eerste keer opladen de hoeveelheid lithium-ion die door de positieve elektrode wordt afgegeven, kleiner dan het aantal lithiumionen dat na de eerste ontlading is teruggeleid naar de kathode. Dit komt door de vorming van SEI (solid electrolyte interface). Tijdens de eerste paar oplaad- en ontlaadcycli, wanneer elektrolyt in contact komt met de elektrode, reageren oplosmiddelen in een elektrolyt die tijdens het opladen vergezeld gaan van de lithiumionen met de elektrode en beginnen te ontleden. Deze ontleding resulteert in de vorming van LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ verbindingen. Deze componenten slaan neer op de elektrode en vormen een paar nanometer dikke lagen, de zogenaamde solid electrolyte interface (SEI) . Deze passiverende laag beschermt de elektrode tegen corrosie en verder verbruik van elektrolyt, de vorming van SEI vindt plaats in twee fasen.

Stadia van SEI-vorming:

De eerste fase van SEI-vorming vindt plaats voordat lithiumionen in de anode worden opgenomen. In dit stadium vormt zich een onstabiele en zeer resistieve SEI-laag. De tweede fase van de vorming van een SEI-laag vindt gelijktijdig plaats met de tussenkomst van lithiumionen op de anode. De resulterende SEI-film is poreus, compact, heterogeen, isolerend voor tunneling van elektronen en geleidend voor lithiumionen. Zodra de SEI-laag is gevormd, weerstaat deze de beweging van de elektrolyt door de passiverende laag naar de elektrode. Zodat het de verdere reactie tussen elektrolyt en lithiumionen, elektronen aan de elektrode, controleert en zo de verdere SEI-groei beperkt.

Belang en effecten van SEI

SEI-laag is de belangrijkste en minder begrepen component in de elektrolyt. Hoewel de ontdekking van de SEI-laag toevallig is, is een effectieve SEI-laag belangrijk voor de lange levensduur, het goede fietsvermogen, de hoge prestaties, veiligheid en stabiliteit van een batterij. De vorming van de SEI-laag is een van de belangrijke overwegingen bij het ontwerpen van batterijen voor betere prestaties. Goed aangehechte SEI op elektroden zorgt voor een goed cyclisch vermogen door verder verbruik van de elektrolyt te voorkomen. De juiste afstemming van porositeit en dikte van de SEI-laag verbetert de geleidbaarheid van lithiumionen erdoorheen, wat resulteert in een verbeterde werking van de batterij.

Tijdens de onomkeerbare vorming van de SEI-laag worden permanent een bepaalde hoeveelheid elektrolyt- en lithiumionen verbruikt. Het verbruik van lithiumionen tijdens de vorming van SEI resulteert dus in een permanent capaciteitsverlies. Er zal SEI-groei zijn met de vele herhaalde oplaad- en ontlaadcycli, die de toename van de batterij-impedantie, temperatuurstijging en een slechte vermogensdichtheid veroorzaakt.

Functionele eigenschappen van SEI

SEI is onvermijdelijk in een batterij. het effect van SEI kan echter worden geminimaliseerd als de gevormde laag zich aan het volgende houdt

• Het moet het directe contact van elektronen met elektrolyt blokkeren, omdat contact tussen elektronen van de elektroden en het elektrolyt degradatie en reductie van elektrolyt veroorzaakt.
• Het moet een goede ionengeleider zijn. Het zou de lithiumionen uit een elektrolyt naar de elektroden moeten laten stromen
• Het moet chemisch stabiel zijn, wat betekent dat het niet kan reageren met elektrolyt en onoplosbaar moet zijn in de elektrolyt
• Het moet mechanisch stabiel zijn, wat betekent dat het een hoge sterkte moet hebben om de uitzet- en samentrekkingsspanningen tijdens laad- en ontlaadcycli te verdragen.
• Het moet de stabiliteit behouden bij verschillende bedrijfstemperaturen en potentialen
• De dikte moet bijna enkele nanometers bedragen

Beheersing van SEI

Stabilisatie en controle van de SEI zijn cruciaal voor de verbeterde prestaties en veilige werking van de cel. ALD (atomic layer deposition) en MLD (Molecular layer deposition) coatings op elektroden regelen de SEI-groei.

Al ₂ O ₃ (ALD-coating) met de bandgap van 9,9 eV gecoat op elektrodecontroles en stabiliseert de SEI-groei vanwege de lage elektronenoverdrachtssnelheid. Dit vermindert de afbraak van elektrolyt en het verbruik van Li-ion. Op dezelfde manier houdt aluminiumalkoxide, een van de MLD-coatings, de opbouw van de SEI-laag onder controle. Deze ALD- en MLD-coatings verminderen het capaciteitsverlies, verbeteren de coulomb-efficiëntie.