A szilárd elektrolit interfész (sei) megértése a lítium-ion akkumulátor teljesítményének javítása érdekében

Manapság a lítium-ion akkumulátorok egyre nagyobb figyelmet kapnak, mivel széles körben elterjedtek az elektromos járművekben, az elektromos biztonsági mentésekben, a mobiltelefonokban, a laptopokban, az okosórákban és más hordozható elektronikai cikkekben stb. elektromos járművek a sokkal jobb teljesítmény érdekében. Az egyik fontos paraméter, amely csökkenti a lítium akkumulátor teljesítményét és élettartamát, a szilárd elektrolit interfész (SEI) kifejlesztése ,ez egy szilárd réteg, amely a lítium akkumulátor belsejében épül fel, amikor elkezdjük használni. Ennek a szilárd rétegnek a kialakulása blokkolja az elektrolit és az elektródák közötti átjárást, ami erősen befolyásolja az akkumulátor teljesítményét. Ebben a cikkben többet megtudunk erről a szilárd elektrolit interfészről (SEI), annak tulajdonságairól, annak kialakulásáról, és megbeszéljük azt is, hogyan lehet azt vezérelni a lítium akkumulátor teljesítményének és élettartamának növelése érdekében. Megjegyezzük, hogy egyesek a szilárd elektrolit interfészt szilárd elektrolit interfázisnak (SEI) is nevezik , mindkét kifejezést felcserélhetően használják az általános kutatási dokumentumok, ezért nehéz vitatkozni arról, hogy melyik a helyes kifejezés. E cikk kedvéért ragaszkodunk a szilárd elektrolit felülethez.

Lítium-ion akkumulátorok:

Mielőtt mélyen belevetnénk magunkat a SEI-be, nézzük át egy kicsit a Li-ion sejtek alapjait, hogy jobban megértsük a koncepciót. Ha teljesen új ismeretei vannak az elektromos járműveknek, akkor mielőtt továbblépne, ellenőrizze ezt a cikket, amelyet az elektromos jármű akkumulátorairól szeretne tudni.

A lítium-ion elemeket anód (negatív elektróda), katód (pozitív elektróda), elektrolit és szeparátor alkotja.

Anód: Grafit, korom, lítium-titanát (LTO), szilícium és grafén a legelőnyösebb anódanyagok. Az anódként leggyakrabban rézfóliával bevont grafit. A grafit feladata, hogy lítiumionok tárolóközegeként működjön. A felszabadult lítiumionok reverzibilis interkalációja könnyen elvégezhető a grafitban, lazán kötött réteges szerkezete miatt.

Katód: A tiszta lítium, amelynek külső héjában egy vegyértékű elektron van, nagyon reaktív és instabil, így katódként alumíniumfóliával bevont stabil lítium-fém-oxidot használnak. Lítiumfém-oxidok, például lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid ("NMC", LiNixMnyCozO2), lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxid ("NCA", LiNiCoAlO2), lítium-mangán-oxid ("LMO", LiMn2O4), lítium-vasfoszfát), Lítium-kobalt-oxidot (LiCoO2, "LCO") használnak katódként.

Elektrolit: A negatív és pozitív elektródák közötti elektrolitnak jó ionvezetőnek és elektronikus szigetelőnek kell lennie, ami azt jelenti, hogy lehetővé kell tennie a lítiumionokat, és blokkolnia kell rajta az elektronokat a töltési és kisütési folyamat során. az elektrolit szerves karbonát-oldószerek, például etilén-karbonát vagy dietil-karbonát, valamint Li-ion sók, például lítium-hexafluor-foszfát (LiPF6), lítium-perklorát (LiClO4), lítium-hexafluor-arenát-monohidrát (LiAsF6), lítium-triflát (LiCF3SO3) keveréke. tetrafluor-borát (LiBF4).

Szeparátor: A szeparátor az elektrolit kritikus eleme. Szigetelő rétegként működik az anód és a katód között, hogy elkerülje a rövidzárlatot közöttük, miközben lehetővé teszi a lítiumionok katódból anódba és fordítva töltés és kisütés közben. A lítium-ion akkumulátorokban többnyire poliolefint használnak elválasztóként.

Charg

A töltési folyamat során, amikor áramforrást csatlakoztatunk az akkumulátorra, a feszültség alatt álló lítiumatom lítiumionokat és elektronokat kap a pozitív elektródán. Ezek az Li-ionok áthaladnak az elektroliton, és a negatív elektródban tárolódnak, míg az elektronok a külső áramkörön haladnak. A kisütési folyamat során, amikor külső terhelést kapcsolunk az akkumulátorra, a negatív elektródban tárolt instabil Li-ionok a pozitív elektródán visszafordulnak a fémoxidhoz, és az elektronok keringenek a terhelésen. Itt az alumínium és a réz fólia áramgyűjtőként működik.

SEI formáció:

Lítium-ion akkumulátorokban az első töltéshez a pozitív elektróda által adott lítium-ion mennyisége kevesebb, mint az első kisütés után a katódba visszavezetett lítium-ionok száma. Ennek oka a SEI (szilárd elektrolit interfész) kialakulása. Az első néhány töltési és kisülési ciklusban, amikor az elektrolit érintkezésbe kerül az elektródával, az elektrolitban lévő oldószerek, amelyek töltés közben a lítiumionokkal kísérik, reagálnak az elektróddal és bomlani kezdenek. Ez a bomlás LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ vegyületek képződését eredményezi. Ezek az alkatrészek kicsapódnak az elektródon, és néhány nanométer vastag réteget képeznek, az úgynevezett szilárd elektrolit interfésznek (SEI) . Ez a passziváló réteg védi az elektródát a korróziótól és az elektrolit további fogyasztásától, az SEI kialakulása két szakaszban történik.

A SEI alapításának szakaszai:

A SEI képződésének első szakasza a lítiumionok anódba történő beépülése előtt megy végbe. Ebben a szakaszban instabil és erősen ellenálló SEI réteg képződik. A SEI rétegképződés második szakasza egyidejűleg történik az anódon lévő lítiumionok interkalációjával. A kapott SEI-fólia porózus, kompakt, heterogén, az elektronokat hőszigetelő alagút és vezető a lítiumionok számára. Miután a SEI réteg kialakul, ellenáll az elektrolit mozgásának a passziváló rétegen keresztül az elektródig. Annak érdekében, hogy szabályozza az elektrolit és a lítiumionok további reakcióját, az elektródon lévő elektronok és ezáltal korlátozza a további SEI növekedést.

A SEI jelentősége és hatása

A SEI réteg a legfontosabb és kevésbé érthető komponens az elektrolitban. Bár a SEI réteg felfedezése véletlen, de a hatékony SEI réteg fontos az akkumulátor hosszú élettartama, jó kerékpáros képessége, nagy teljesítménye, biztonsága és stabilitása szempontjából. A SEI réteg kialakulása az egyik fontos szempont az elemek tervezésénél a jobb teljesítmény érdekében. Az elektródákon jól tapadt SEI fenntartja a jó kerékpáros képességet azáltal, hogy megakadályozza az elektrolit további fogyasztását. Az SEI réteg porozitásának és vastagságának megfelelő hangolása javítja a lítiumionok vezetőképességét, javítja az akkumulátor működését.

A SEI-réteg visszafordíthatatlan képződése során bizonyos mennyiségű elektrolit- és lítiumion elfogyasztásra kerül. Így a lítiumionok fogyasztása a SEI képződése során tartós kapacitásvesztést eredményez. SEI növekedés tapasztalható a sok ismételt töltési és kisütési ciklus mellett, ami az akkumulátor impedanciájának növekedését, a hőmérséklet-emelkedést és a rossz teljesítménysűrűséget okozza.

A SEI funkcionális tulajdonságai

A SEI elkerülhetetlen egy akkumulátorban. a SEI hatása azonban minimalizálható, ha a kialakult réteg a következőkhöz tapad

• Meg kell akadályoznia az elektronok közvetlen érintkezését az elektrolittal, mert az elektródákból származó elektronok és az elektrolit közötti érintkezés az elektrolit lebomlását és redukcióját okozza.
• Jó ionvezetőnek kell lennie. Lehetővé kell tennie az elektrolit lítiumionjainak áramlását az elektródákba
• Kémiailag stabilnak kell lennie, ami azt jelenti, hogy nem tud reakcióba lépni az elektrolittal, és oldhatatlannak kell lennie az elektrolitban
• Mechanikusan stabilnak kell lennie, ami azt jelenti, hogy nagy szilárdságúnak kell lennie ahhoz, hogy elviselje a tágulási és összehúzódási feszültségeket a töltési és kisütési ciklusok alatt.
• Meg kell tartania a stabilitást különböző üzemi hőmérsékleteken és potenciálokon
• Vastagságának közel kell lennie néhány nanométerhez

A SEI ellenőrzése

A SEI stabilizálása és ellenőrzése döntő fontosságú a cella jobb teljesítménye és biztonságos működése szempontjából. Az elektródák ALD (atomréteg-lerakódás) és MLD (molekuláris réteg-lerakódás) bevonatai szabályozzák a SEI növekedését.

Al ₂ O ₃ (ALD bevonat) 9,9 eV sávszélességgel, elektródvezérlőkkel bevonva, és stabilizálja a SEI növekedést a lassú elektronátviteli sebesség miatt. Ez csökkenti az elektrolit bomlását és a Li-ion fogyasztást. Ugyanúgy, mint az alumínium-alkoxid, az egyik MLD bevonat szabályozza a SEI réteg felépülését. Ezek az ALD és MLD bevonatok csökkentik a kapacitásveszteséget, javítják a coulombikus hatékonyságot.