Разумевање интерфејса чврстог електролита (сеи) за побољшање перформанси литијум-јонске батерије

Ових дана литијум-јонске батерије добијају више пажње због своје широке примене у електричним возилима, резервним копијама енергије, мобилним телефонима, преносним рачунарима, паметним сатовима и другој преносној електронској роби итд. Много се истраживања догађа на литијумским батеријама са повећаном потражњом за електрична возила за много боље перформансе. Један важан параметар који смањује перформансе и животни век литијумске батерије је развој чврстог електролитског интерфејса (СЕИ),ово је чврсти слој који се гради унутар литијумске батерије када почнемо да је користимо. Формирање овог чврстог слоја блокира пролаз између електролита и електрода у великој мери утичући на перформансе батерије. У овом чланку ћемо сазнати више о овом интерфејсу чврстог електролита (СЕИ), његовим својствима, начину његовог формирања, а такође ћемо разговарати и о начину управљања њиме како бисмо повећали перформансе и век трајања литијумске батерије. Имајте на уму да су неки људи интерфејс чврстих електролита називали и чврстом електролитском међуфазом (СЕИ), а оба термина се користе наизменично у укупним истраживачким радовима и стога је тешко расправљати о томе који је тачан термин. Зарад овог чланка, држаћемо се чврстог интерфејса електролита.

Литијум-јонске батерије:

Пре него што заронимо дубоко у СЕИ, хајде да мало размотримо основе Ли-јонских ћелија како бисмо боље разумели концепт. Ако сте потпуно нови у електричним возилима, погледајте ово Све што желите да знате о батеријама за електрична возила како бисте разумели ЕВ батерије пре него што наставите даље.

Литијум-јонске батерије чине анода (негативна електрода), катода (позитивна електрода), електролит и сепаратор.

Анода: Графит, чађа, литијум титанат (ЛТО), силицијум и графен су неки од најпожељнијих анодних материјала. Најчешће графит, пресвучен бакарном фолијом која се користи као анода. Улога графита је да делује као медијум за складиштење литијумових јона. Реверзибилна интеркалација ослобођених литијумових јона може се лако извршити у графиту због лабаво повезане слојевите структуре.

Катода: Чисти литијум који има један валентни електрон на спољној љусци изузетно је реактиван и нестабилан, тако да стабилни литијум-метални оксид, обложен алуминијумском фолијом, користи као катода. Литијум-метални оксиди попут литијум-никл-манган-кобалт-оксида („НМЦ“, ЛиНикМниЦозО2), литијум-никл-кобалт-алуминијум-оксид („НЦА“, ЛиНиЦоАлО2), литијум-манган-оксид („ЛМО“, ЛиМн2О4), литијум гвожђе фосфат (ЛОФ)), Као катоде користе се литијум-кобалтов оксид (ЛиЦоО2, „ЛЦО“).

Електролит: Електролит између негативне и позитивне електроде мора бити добар јонски проводник и електронски изолатор што значи да мора дозволити литијумове јоне и да блокира електроне кроз њега током процеса пуњења и пражњења. електролит је смеша органских карбонатних растварача као што су етилен карбонат или диетил карбонат и Ли-јонске соли као што су литијум хексафлуорофосфат (ЛиПФ6), литијум перхлорат (ЛиЦлО4), литијум хексафлуороарсенат монохидрат (ЛиАсФ6), литијум трифит 3 тетрафлуоробората (ЛиБФ4).

Сепаратор: Сепаратор је критична компонента у електролиту. Делује као изолациони слој између аноде и катоде како би се избегао кратки спој између њих, истовремено омогућавајући литијумове јоне од катоде до аноде и обрнуто током пуњења и пражњења. У литијум-јонским батеријама се углавном користи полиолефин као сепаратор.

Цхарг

Током процеса пуњења када повежемо извор напајања преко батерије, под напоном атом литијума дају се литијумови јони и електрони на позитивној електроди. Ови Ли-јони пролазе кроз електролит и складиште се у негативној електроди, док електрони путују кроз спољни круг. Током процеса пражњења када повежемо спољно оптерећење преко батерије, нестабилни Ли-јони ускладиштени у негативној електроди путују назад до металног оксида на позитивној електроди и електрони циркулишу кроз оптерећење. Овде алуминијумске и бакарне фолије делују као колектори струје.

СЕИ формирање:

У литијум-јонским батеријама, за прво пуњење, количина литијум-јона коју даје позитивна електрода мања је од броја литијум-јона који се враћају на катоду након првог пражњења. То је због стварања СЕИ (чврста веза електролита). Првих неколико циклуса пуњења и пражњења, када електролит дође у контакт са електродом, растварачи у електролиту који су у пратњи литијумових јона током пуњења реагују са електродом и почињу да се распадају. Ова распадања резултира формирањем ЛИФ, Ли ₂ О, ЛиЦИ, Ли ₂ ЦО ₃ једињења. Ове компоненте се таложе на електроди и формирају неколико нанометара дебелих слојева названих чврсти електролитски интерфејс (СЕИ) . Овај пасивизирајући слој штити електроду од корозије и даље потрошње електролита, формирање СЕИ се дешава у две фазе.

Фазе формирања СЕИ:

Прва фаза СЕИ формирања одвија пред литијумових јона укључивање у аноду. У овој фази се формира нестабилни и високоотпорни СЕИ слој. Друга фаза формирања СЕИ слоја дешава истовремено са интеркалацијом литијум јона на аноду. Резултирајући СЕИ филм је порозан, компактан, хетероген, изолирајући електроне у тунелу и проводљив за литијумове јоне. Једном када се СЕИ слој формира, он се одупире кретању електролита кроз пасивирајући слој до електроде. Тако да контролише даљу реакцију између електролита и литијумових јона, електрона на електроди и на тај начин ограничава даљи раст СЕИ.

Значај и ефекти СЕИ

СЕИ слој је најважнија и мање разумљива компонента у електролиту. Иако је откриће СЕИ слоја случајно, али ефикасан СЕИ слој важан је за дуг живот, добре бициклистичке способности, високе перформансе, сигурност и стабилност батерије. Формирање СЕИ слоја је једно од важних разматрања у дизајнирању батерија за боље перформансе. Добро залепљени СЕИ на електродама одржава добру цикличку способност спречавањем даље потрошње електролита. Правилно подешавање порозности и дебљине СЕИ слоја побољшава проводљивост литијумових јона кроз њега, што резултира побољшаним радом батерије.

Током неповратног формирања СЕИ слоја трајно се троши одређена количина електролитних и литијумових јона. Стога потрошња литијумових јона током формирања СЕИ резултира трајним губитком капацитета. Доћи ће до раста СЕИ са многим поновљеним циклусима пуњења и пражњења, што узрокује повећање импедансе батерије, пораст температуре и лошу густину снаге.

Функционална својства СЕИ

СЕИ је неизбежан у батерији. међутим, ефекат СЕИ може се минимизирати ако се формирани слој придржава следећег

Мора блокирати директан контакт електрона са електролитом, јер контакт између електрона са електрода и електролита узрокује деградацију и редукцију електролита.
То мора бити добар јонски проводник. Требало би да омогући да литијумови јони из електролита дођу до електрода
Мора бити хемијски стабилна, што значи да не може да реагује са електролитом и треба да буде нерастворљив у електролиту
Мора бити механички стабилна, што значи да треба да има високу чврстоћу да подноси напрезања ширења и стезања током циклуса пуњења и пражњења.
Мора да одржи стабилност при различитим радним температурама и потенцијалима
Његова дебљина би требала бити близу неколико нанометара

Контрола СЕИ

Стабилизација и контрола СЕИ су пресудни за побољшане перформансе и сигуран рад ћелије. АЛД (наношење атомског слоја) и МЛД (наношење молекуларним слојем) на електродама контролишу раст СЕИ.

Ал ₂ О ₃ (АЛД превлака) са пропусним опсегом од 9,9 еВ пресвученим на управљачима електрода и стабилизује раст СЕИ због своје споре брзине преноса електрона. Ово ће смањити распад електролита и потрошњу Ли-јона. На исти начин Алуминијумски алкоксид, један од МЛД премаза контролише стварање СЕИ слоја. Ови АЛД и МЛД премази смањују губитак капацитета, побољшавају куломску ефикасност.