Κατανόηση στερεάς διεπαφής ηλεκτρολύτη (sei) για βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας ιόντων λιθίου

Αυτές τις μέρες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κερδίζουν περισσότερη προσοχή λόγω της εκτεταμένης εφαρμογής τους σε ηλεκτρικά οχήματα, εφεδρικά αντίγραφα ισχύος, κινητά, φορητούς υπολογιστές, έξυπνα ρολόγια και άλλα φορητά ηλεκτρονικά προϊόντα κ.λπ. διεξάγεται πολλή έρευνα σχετικά με τις μπαταρίες λιθίου με την αυξημένη ζήτηση για ηλεκτρικά οχήματα για πολύ καλύτερη απόδοση. Μια σημαντική παράμετρος που μειώνει την απόδοση και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας λιθίου είναι η ανάπτυξη μιας στερεάς διεπαφής ηλεκτρολυτών (SEI),Αυτό είναι ένα συμπαγές στρώμα που χτίζει μέσα στην μπαταρία λιθίου καθώς αρχίζουμε να τη χρησιμοποιούμε. Ο σχηματισμός αυτού του στερεού στρώματος εμποδίζει τη διέλευση μεταξύ του ηλεκτρολύτη και των ηλεκτροδίων επηρεάζοντας σε μεγάλο βαθμό την απόδοση της μπαταρίας. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε περισσότερα για αυτήν τη διεπαφή στερεού ηλεκτρολύτη (SEI), τις ιδιότητές της, τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζεται και θα συζητήσουμε επίσης πώς να τον ελέγξουμε για να αυξήσουμε την απόδοση και τη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας λιθίου. Σημειώστε ότι μερικοί άνθρωποι ονόμασαν επίσης Solid Electrolyte Interface ως Solid Electrolyte Interphase (SEI), και οι δύο όροι χρησιμοποιούνται εναλλακτικά συνολικά ερευνητικά έγγραφα και ως εκ τούτου είναι δύσκολο να αμφισβητηθεί ποιος είναι ο σωστός όρος. Για χάρη αυτού του άρθρου, θα εμμείνουμε στη σταθερή διεπαφή ηλεκτρολυτών.

Μπαταρίες ιόντων λιθίου:

Πριν βυθίσουμε βαθιά τη SEI, ας αναθεωρήσουμε λίγο τα βασικά των κυττάρων ιόντων λιθίου, ώστε να κατανοήσουμε καλύτερα την ιδέα. Εάν είστε εντελώς νέοι στα ηλεκτρικά οχήματα, ελέγξτε αυτό το άρθρο Όλα όσα θέλετε να γνωρίζετε για τις ηλεκτρικές μπαταρίες οχημάτων για να κατανοήσετε τις μπαταρίες EV προτού προχωρήσετε περαιτέρω.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούνται από άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο), κάθοδο (θετικό ηλεκτρόδιο), ηλεκτρολύτη και διαχωριστή.

Anode: Graphite, carbon black, lithium titanate (LTO), Silicon και graphene είναι μερικά από τα πιο προτιμώμενα υλικά ανόδου. Συνήθως γραφίτης, επικαλυμμένος σε φύλλο χαλκού που χρησιμοποιείται ως άνοδος. Ο ρόλος του γραφίτη είναι να λειτουργεί ως μέσο αποθήκευσης ιόντων λιθίου. Η αναστρέψιμη παρεμβολή των απελευθερωμένων ιόντων λιθίου μπορεί εύκολα να γίνει στον γραφίτη λόγω της χαλαρής συγκολλημένης δομής.

Κάθοδος: Το καθαρό λίθιο που έχει ένα σθένος ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό του κέλυφος είναι πολύ αντιδραστικό και ασταθές, έτσι ώστε το σταθερό μεταλλικό οξείδιο του λιθίου, επικαλυμμένο σε φύλλο αλουμινίου που χρησιμοποιείται ως κάθοδος. Οξείδια μετάλλου λιθίου όπως οξείδιο κοβαλτίου μαγγανίου νικελίου λιθίου ("NMC", LiNixMnyCozO2), οξείδιο αργιλίου νικελίου κοβαλτίου αργιλίου ("NCA", LiNiCoAlO2), οξείδιο μαγγανίου λιθίου ("LMO", LiMn2O4), φωσφορικό σίδηρο λιθίου ("LFP", LiFn4)), Λίθιο κοβάλτιο οξείδιο (LiCoO2, "LCO") χρησιμοποιούνται ως κάθοδοι

Ηλεκτρολύτης: Ο ηλεκτρολύτης μεταξύ των αρνητικών και θετικών ηλεκτροδίων πρέπει να είναι ένας καλός ιοντικός αγωγός και ένας ηλεκτρονικός μονωτής που σημαίνει ότι πρέπει να επιτρέπει τα ιόντα λιθίου και πρέπει να μπλοκάρει τα ηλεκτρόνια μέσω αυτού κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης. ένας ηλεκτρολύτης είναι ένα μείγμα οργανικών ανθρακικών διαλυτών όπως ανθρακικό αιθυλένιο ή ανθρακικό διαιθυλεστέρα και άλατα ιόντων λιθίου όπως εξαφθοροφωσφορικό λίθιο (LiPF6), υπερχλωρικό λίθιο (LiClO4), μονοϋδρικό λιθίου Hexafluoroarsenate (LiAsF6), λιθίου λιθίου τετραφθοροβορικό άλας (LiBF4).

Διαχωριστής: Ο διαχωριστής είναι ένα κρίσιμο συστατικό στον ηλεκτρολύτη. Λειτουργεί ως μονωτικό στρώμα μεταξύ ανόδου και καθόδου για να αποφευχθεί το βραχυκύκλωμα μεταξύ τους επιτρέποντας ταυτόχρονα τα ιόντα λιθίου από την κάθοδο στην άνοδο και αντίστροφα κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου ως επί το πλείστον χρησιμοποιείται πολυολεφίνη.

Φορτ

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, όταν συνδέουμε μια πηγή ισχύος σε όλη την μπαταρία, το άτομο ενεργοποιημένου λιθίου, δίνει ιόντα λιθίου και ηλεκτρόνια στο θετικό ηλεκτρόδιο. Αυτά τα ιόντα λιθίου περνούν μέσω του ηλεκτρολύτη και αποθηκεύονται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, ενώ τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος. Κατά τη διαδικασία εκφόρτισης όταν συνδέουμε εξωτερικό φορτίο σε όλη την μπαταρία, τα ασταθή ιόντα λιθίου που είναι αποθηκευμένα σε αρνητικά ηλεκτρόδια ταξιδεύουν πίσω στο μεταλλικό οξείδιο στο θετικό ηλεκτρόδιο και τα ηλεκτρόνια κυκλοφορούν μέσω του φορτίου. Εδώ τα φύλλα αλουμινίου και χαλκού ενεργούν ως συλλέκτες ρεύματος

Σχηματισμός SEI:

Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, για την πρώτη φόρτιση, η ποσότητα ιόντων λιθίου που δίνεται από το θετικό ηλεκτρόδιο είναι μικρότερη από τον αριθμό των ιόντων λιθίου που ταξίδεψαν πίσω στην κάθοδο μετά την πρώτη εκφόρτιση. Αυτό οφείλεται στο σχηματισμό της SEI (διεπαφή στερεών ηλεκτρολυτών). Για τους πρώτους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, όταν ο ηλεκτρολύτης έρχεται σε επαφή με το ηλεκτρόδιο, οι διαλύτες σε έναν ηλεκτρολύτη που συνοδεύονται από τα ιόντα λιθίου κατά τη φόρτιση αντιδρούν με το ηλεκτρόδιο και αρχίζει να αποσυντίθεται. Αυτή η αποσύνθεση οδηγεί στο σχηματισμό του LIF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ ενώσεις. Αυτά τα συστατικά κατακρημνίζονται στο ηλεκτρόδιο και σχηματίζουν μερικά στρώματα πάχους νανομέτρων που ονομάζονται διεπαφή στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) . Αυτό το παθητικό στρώμα προστατεύει το ηλεκτρόδιο από τη διάβρωση και την περαιτέρω κατανάλωση ηλεκτρολύτη, ο σχηματισμός SEI λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια.

Στάδια του σχηματισμού SEI:

Το πρώτο στάδιο του σχηματισμού SEI λαμβάνει χώρα πριν από την ένταξη ιόντων λιθίου στην άνοδο. Σε αυτό το στάδιο, σχηματίζεται ασταθής και εξαιρετικά ανθεκτική στρώση SEI. Το δεύτερο στάδιο σχηματισμού στρώματος SEI συμβαίνει ταυτόχρονα με την παρεμβολή ιόντων λιθίου στην άνοδο. Η προκύπτουσα μεμβράνη SEI είναι πορώδης, συμπαγής, ετερογενής, μονωτική σε σήραγγα ηλεκτρονίων και αγώγιμη για ιόντα λιθίου. Μόλις σχηματιστεί η στρώση SEI, αντιστέκεται στην κίνηση των ηλεκτρολυτών μέσω της παθητικής στρώσης στο ηλεκτρόδιο. Για να ελέγχει την περαιτέρω αντίδραση μεταξύ ηλεκτρολυτών και ιόντων λιθίου, ηλεκτρονίων στο ηλεκτρόδιο και έτσι περιορίζει την περαιτέρω ανάπτυξη SEI.

Σημασία και επιπτώσεις της SEI

Το στρώμα SEI είναι το πιο σημαντικό και λιγότερο κατανοητό συστατικό στον ηλεκτρολύτη. Αν και η ανακάλυψη του στρώματος SEI είναι τυχαία, αλλά ένα αποτελεσματικό στρώμα SEI είναι σημαντικό για τη μεγάλη διάρκεια ζωής, την καλή ικανότητα ποδηλασίας, την υψηλή απόδοση, την ασφάλεια και τη σταθερότητα μιας μπαταρίας. Ο σχηματισμός του στρώματος SEI είναι ένας από τους σημαντικούς παράγοντες στο σχεδιασμό των μπαταριών για καλύτερη απόδοση. Η καλά κολλημένη SEI στα ηλεκτρόδια διατηρεί καλή ικανότητα ανακύκλωσης εμποδίζοντας την περαιτέρω κατανάλωση του ηλεκτρολύτη. Ο σωστός συντονισμός του πορώδους και του πάχους του στρώματος SEI βελτιώνει την αγωγιμότητα των ιόντων λιθίου μέσω αυτού, οδηγεί σε βελτιωμένη λειτουργία της μπαταρίας.

Κατά τη διάρκεια του μη αναστρέψιμου σχηματισμού του στρώματος SEI, καταναλώνεται οριστικά μια ποσότητα ιόντων ηλεκτρολύτη και λιθίου. Έτσι, η κατανάλωση ιόντων λιθίου κατά τον σχηματισμό SEI οδηγεί σε μόνιμη απώλεια χωρητικότητας. Θα υπάρξει αύξηση SEI με τους πολλούς επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, γεγονός που προκαλεί την αύξηση της αντίστασης της μπαταρίας, την αύξηση της θερμοκρασίας και την κακή πυκνότητα ισχύος.

Λειτουργικές ιδιότητες του SEI

Η SEI είναι αναπόφευκτη σε μια μπαταρία. Ωστόσο, το αποτέλεσμα της SEI μπορεί να ελαχιστοποιηθεί εάν το σχηματιζόμενο στρώμα ακολουθεί τα ακόλουθα

• Πρέπει να εμποδίσει την άμεση επαφή των ηλεκτρονίων με τον ηλεκτρολύτη επειδή η επαφή μεταξύ των ηλεκτρονίων από τα ηλεκτρόδια και του ηλεκτρολύτη προκαλεί υποβάθμιση και μείωση του ηλεκτρολύτη.
• Πρέπει να είναι ένας καλός ιοντικός αγωγός. Πρέπει να επιτρέπει στα ιόντα λιθίου από έναν ηλεκτρολύτη να ρέουν στα ηλεκτρόδια
• Πρέπει να είναι χημικά σταθερό που σημαίνει ότι δεν μπορεί να αντιδράσει με ηλεκτρολύτη και πρέπει να είναι αδιάλυτο στον ηλεκτρολύτη
• Πρέπει να είναι μηχανικά σταθερό, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να έχει υψηλή αντοχή για να ανέχεται τις τάσεις διαστολής και συστολής κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης.
• Πρέπει να διατηρήσει τη σταθερότητα σε διάφορες θερμοκρασίες και δυνατότητες λειτουργίας
• Το πάχος του πρέπει να είναι κοντά σε μερικά νανόμετρα

Έλεγχος της SEI

Η σταθεροποίηση και ο έλεγχος της SEI είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιωμένη απόδοση και την ασφαλή λειτουργία του κελιού. Οι επικαλύψεις ALD (εναπόθεση ατομικού στρώματος) και MLD (εναπόθεση μοριακού στρώματος) στα ηλεκτρόδια ελέγχουν την ανάπτυξη SEI.

Al ₂ O ₃ (επίστρωση ALD) με διάκενο 9,9 eV επικαλυμμένο σε ηλεκτρόδια και σταθεροποιεί την ανάπτυξη SEI λόγω του αργού ρυθμού μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτό θα μειώσει την αποσύνθεση των ηλεκτρολυτών και την κατανάλωση ιόντων λιθίου. Με τον ίδιο τρόπο αλκοξείδιο αλουμινίου, μία από τις επικαλύψεις MLD ελέγχει τη συσσώρευση στρώματος SEI. Αυτές οι επικαλύψεις ALD και MLD μειώνουν την απώλεια χωρητικότητας, βελτιώνουν την αποδοτικότητα των κολομβών.