Memahami antara muka elektrolit pepejal (sei) untuk meningkatkan prestasi bateri ion litium

Hari-hari ini bateri ion Lithium mendapat perhatian lebih banyak kerana penggunaannya yang meluas dalam Kenderaan Elektrik, sandaran Kuasa, Mobiles, Komputer riba, jam tangan pintar, dan barang elektronik mudah alih lain, dan lain-lain. Banyak penyelidikan sedang dilakukan mengenai bateri litium dengan permintaan kenderaan elektrik untuk prestasi yang jauh lebih baik. Satu parameter penting yang menurunkan prestasi dan jangka hayat bateri litium adalah pengembangan antara muka elektrolit pepejal (SEI),ini adalah lapisan pepejal yang terbentuk di dalam bateri litium semasa kita mula menggunakannya. Pembentukan lapisan pepejal ini menyekat laluan antara elektrolit dan elektrod yang sangat mempengaruhi prestasi bateri. Dalam artikel ini, kita akan mengetahui lebih lanjut mengenai antara muka elektrolit Pepejal (SEI) ini, sifatnya, bagaimana bentuknya dan juga akan membincangkan cara mengendalikannya untuk meningkatkan prestasi dan jangka hayat Bateri Lithium. Perhatikan bahawa sebilangan orang juga memanggil Interface Elektrolit Pepejal sebagai Interfasa Elektrolit Pepejal (SEI), kedua-dua istilah tersebut digunakan sebagai kertas penyelidikan keseluruhan secara bergantian dan oleh itu sukar untuk dibahaskan mengenai istilah mana yang betul. Untuk artikel ini, kita akan berpegang pada antara muka elektrolit padat.

Bateri Lithium-ion:

Sebelum kita menyelami SEI, mari kita kaji semula asas-asas sel Li-ion supaya kita lebih memahami konsepnya. Sekiranya anda benar-benar baru menggunakan kenderaan elektrik, sila periksa artikel Semua ini yang anda ingin ketahui mengenai Bateri Kenderaan Elektrik untuk memahami bateri EV sebelum anda meneruskannya lebih jauh.

Bateri ion litium terdiri daripada Anod (elektrod negatif), katod (elektrod positif), elektrolit, dan pemisah.

Anod: Grafit, karbon hitam, litium titanat (LTO), Silikon, dan graphene adalah beberapa bahan anod yang paling disukai. Grafit yang paling biasa, dilapisi pada kerajang tembaga yang digunakan sebagai anod. Peranan grafit adalah bertindak sebagai media penyimpanan ion litium. Interkalasi ion lithium yang dibebaskan dapat dilakukan dengan mudah dalam grafit kerana struktur berlapisnya yang terikat secara longgar.

Katod: Lithium tulen yang mempunyai satu elektron valens pada cangkang luarnya sangat reaktif dan tidak stabil, sehingga oksida logam litium stabil, dilapisi pada aluminium foil yang digunakan sebagai katod. Oksida logam litium seperti Lithium nikel manganese kobalt oxide ("NMC", LiNixMnyCozO2), Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oksida ("NCA", LiNiCoAlO2), Lithium Manganese Oxide ("LMO", LiMn2O4), Lithium Iron Phosphate ("LFP", LiFn4)), Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2, "LCO") digunakan sebagai katod.

Elektrolit: Elektrolit antara elektrod negatif dan positif mestilah konduktor ionik yang baik dan penebat elektronik yang bermaksud ia mesti membenarkan ion litium dan perlu menyekat elektron melaluinya semasa proses pengisian dan pengosongan. elektrolit adalah campuran pelarut karbonat organik seperti etilena karbonat atau dietil karbonat dan garam Li-ion seperti lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium perchlorate (LiClO4), lithium Hexafluoroarsenate monohydrate (LiAsF6), lithium triflate (LiAsF6), lithium triflate (lithium triflate) tetrafluoroborat (LiBF4).

Pemisah: Pemisah adalah komponen kritikal dalam elektrolit. Ia bertindak sebagai lapisan penebat antara anod dan katod untuk mengelakkan litar pintas di antara mereka sambil membenarkan ion litium dari katod ke anod dan sebaliknya semasa pengisian dan pengosongan. Dalam bateri ion lithium kebanyakannya poliolefin digunakan sebagai pemisah.

Caj

Semasa proses pengecasan ketika kita menyambungkan sumber kuasa di seluruh bateri, atom Lithium bertenaga, memberikan ion Lithium dan elektron pada elektrod positif. Li-ion ini melalui elektrolit dan disimpan di elektrod negatif, sementara elektron bergerak melalui litar luaran. Semasa proses pelepasan ketika kami menyambungkan beban luaran ke bateri, ion Li yang tidak stabil yang tersimpan dalam elektrod negatif bergerak kembali ke oksida logam pada elektrod positif dan elektron beredar melalui beban. Di sini kerajang aluminium dan tembaga bertindak sebagai pengumpul semasa.

Pembentukan SEI:

Dalam bateri Li-ion, untuk pengecasan pertama, kuantiti ion litium yang diberikan oleh elektrod positif kurang daripada bilangan ion litium yang dilancarkan kembali ke katod setelah habis pertama kali. Ini disebabkan oleh pembentukan SEI (antara muka elektrolit pepejal). Untuk beberapa kitaran pengisian dan pelepasan pertama, apabila elektrolit bersentuhan dengan elektrod, pelarut dalam elektrolit yang disertai oleh ion litium semasa pengecasan bertindak balas dengan elektrod dan mula terurai. Penguraian ini menghasilkan pembentukan sebatian LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Komponen ini mendakan pada elektrod dan membentuk beberapa lapisan tebal nanometer yang disebut antara muka elektrolit pepejal (SEI) . Lapisan pasif ini melindungi elektrod dari kakisan dan penggunaan elektrolit lebih lanjut, pembentukan SEI berlaku dalam dua peringkat.

Tahap Pembentukan SEI:

Tahap pertama pembentukan SEI berlaku sebelum kemasukan ion litium ke dalam anod. Pada peringkat ini, lapisan SEI yang tidak stabil dan sangat resisten terbentuk. Tahap kedua pembentukan lapisan SEI berlaku serentak dengan interkalasi ion litium pada anod. Filem SEI yang dihasilkan adalah berliang, padat, heterogen, penebat ke terowong elektron dan konduktif untuk ion litium. Setelah lapisan SEI terbentuk, ia menentang pergerakan elektrolit melalui lapisan pasif ke elektrod. Sehingga ia dapat mengawal tindak balas selanjutnya antara elektrolit dan ion litium, elektron pada elektrod dan dengan itu menyekat pertumbuhan SEI selanjutnya.

Kepentingan dan Kesan SEI

Lapisan SEI adalah komponen yang paling penting dan kurang difahami dalam elektrolit. Walaupun penemuan lapisan SEI tidak sengaja, tetapi lapisan SEI yang berkesan penting untuk jangka hayat yang panjang, kemampuan berbasikal yang baik, prestasi tinggi, keselamatan dan kestabilan bateri. Pembentukan lapisan SEI adalah salah satu pertimbangan penting dalam merancang bateri untuk prestasi yang lebih baik. SEI yang dipatuhi dengan baik pada elektrod mengekalkan keupayaan berbasikal yang baik dengan mencegah penggunaan elektrolit lebih lanjut. Penyesuaian keliangan dan ketebalan lapisan SEI yang betul meningkatkan kekonduksian ion litium melaluinya, menghasilkan operasi bateri yang lebih baik.

Semasa pembentukan lapisan SEI yang tidak dapat dipulihkan, sejumlah ion elektrolit dan litium dimakan secara kekal. Oleh itu, penggunaan ion litium semasa pembentukan SEI mengakibatkan kehilangan kapasiti kekal. Akan terjadi pertumbuhan SEI dengan banyaknya pengisian dan siklus pengosongan berulang, yang menyebabkan kenaikan impedans bateri, kenaikan suhu, dan ketumpatan daya yang lemah.

Sifat Fungsional SEI

SEI tidak dapat dielakkan dalam bateri. namun, kesan SEI dapat dikurangkan sekiranya lapisan yang terbentuk mematuhi perkara berikut

• Ia harus menyekat hubungan langsung elektron dengan elektrolit kerana hubungan antara elektron dari elektrod dan elektrolit menyebabkan penurunan dan pengurangan elektrolit.
• Ia mesti menjadi pengalir ionik yang baik. Ia mesti membenarkan ion litium dari elektrolit mengalir ke elektrod
• Ia harus stabil secara kimia yang bermaksud ia tidak dapat bertindak balas dengan elektrolit dan harus tidak larut dalam elektrolit
• Ini harus stabil secara mekanis yang berarti ia harus memiliki kekuatan tinggi untuk mentolerir tekanan pengembangan dan pengecutan semasa kitaran pengisian dan pengosongan.
• Ia harus mengekalkan kestabilan pada pelbagai suhu dan potensi operasi
• Ketebalannya mestilah hampir beberapa nanometer

Mengawal SEI

Penstabilan dan kawalan SEI sangat penting untuk peningkatan prestasi dan operasi sel yang selamat. Lapisan ALD (pemendapan lapisan atom) dan MLD (pemendapan lapisan molekul) pada elektrod mengawal pertumbuhan SEI.

Al ₂ O ₃ (lapisan ALD) dengan celah pita 9.9 eV yang dilapisi pada kawalan elektrod dan menstabilkan pertumbuhan SEI kerana kadar pemindahan elektronnya yang perlahan. Ini akan mengurangkan penguraian elektrolit dan penggunaan ion Li. Dengan cara yang sama Aluminium alkoksida, salah satu lapisan MLD mengawal penumpukan lapisan SEI. Lapisan ALD dan MLD ini mengurangkan kehilangan kapasiti, meningkatkan kecekapan coulombic.