- Litiumionbatterier:
- Charg
- SEI-dannelse:
- Viktigheten og effekten av SEI
- Funksjonelle egenskaper til SEI
- Kontroll av SEI
I disse dager får litiumionbatterier mer oppmerksomhet på grunn av deres utbredte anvendelse i elektriske kjøretøyer, strømbackups, mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, smartklokker og andre bærbare elektroniske varer osv. Mye forskning skjer på litiumbatterier med økt etterspørsel etter elektriske biler for mye bedre ytelse. En viktig parameter som reduserer ytelsen og levetiden til litiumbatteri er utviklingen av et solid elektrolyttgrensesnitt (SEI),dette er et solid lag som bygger seg inn i litiumbatteriet når vi begynner å bruke det. Dannelsen av dette faste laget blokkerer passasjen mellom elektrolytten og elektrodene som sterkt påvirker ytelsen til batteriet. I denne artikkelen vil vi lære mer om dette Solid elektrolyttgrensesnittet (SEI), dets egenskaper, hvordan det dannes, og vil også diskutere hvordan du styrer det for å øke ytelsen og levetiden til et litiumbatteri. Vær oppmerksom på at noen også kaller Solid Electrolyte Interface som Solid Electrolyte Interphase (SEI), begge begrepene brukes om hverandre i sin helhet, og det er derfor vanskelig å argumentere for hvilket som er riktig begrep. Av hensyn til denne artikkelen vil vi holde oss til det faste elektrolyttgrensesnittet.
Litiumionbatterier:
Før vi dykker dypt inn i SEI, la oss revidere litt om det grunnleggende om Li-ion-celler, slik at vi bedre forstår konseptet. Hvis du er helt ny med elektriske kjøretøyer, kan du sjekke denne artikkelen Alt du vil vite om elektriske bilbatterier for å forstå EV-batterier før du går videre.
Litiumionbatterier består av anode (negativ elektrode), katode (positiv elektrode), elektrolytt og separator.
Anode: Grafitt, kullsvart, litiumtitanat (LTO), silisium og grafen er noen av de mest foretrukne anodematerialene. Vanligvis grafitt, belagt på kobberfolie brukt som anode. Grafittens rolle er å fungere som et lagringsmedium for litiumioner. Reversibel interkalering av frigjorte litiumioner kan enkelt gjøres i grafitten på grunn av den løst bundne lagdelte strukturen.
Katode: Rent litium med ett valanseelektron på ytre skall er svært reaktivt og ustabilt, slik at stabilt litiummetalloksid, belagt på aluminiumsfolie som brukes som katode. Litiummetalloksider som litiumnikkel mangankoboltoksid ("NMC", LiNixMnyCozO2), litiumnikkel kobolt aluminiumoksid ("NCA", LiNiCoAlO2), litiummanganoksid ("LMO", LiMn2O4), litiumjernfosfat ("LFP4", LiFe), Litiumkobaltoksyd (LiCoO2, "LCO") brukes som katoder.
Elektrolytt: Elektrolytt mellom de negative og positive elektrodene må være en god ioneleder og en elektronisk isolator som betyr at den må tillate litiumionene og må blokkere elektronene gjennom den under lade- og utladningsprosessen. en elektrolytt er en blanding av organiske karbonatløsningsmidler som etylenkarbonat eller dietylkarbonat og Li-ion-salter som litiumheksafluorfosfat (LiPF6), litiumperklorat (LiClO4), litiumhexafluoroarsenatmonohydrat (LiAsF6), litiumtriflat (LiCF3S og litium) tetrafluorborat (LiBF4).
Separator: Separator er en kritisk komponent i elektrolytten. Det fungerer som et isolerende lag mellom anode og katode for å unngå kortslutning mellom dem samtidig som litiumionene fra katoden til anoden blir omvendt og omvendt under lading og utlading. I litiumionbatterier brukes hovedsakelig polyolefin som separator.
Charg
Under ladeprosessen når vi kobler en strømkilde på tvers av batteriet, gir det litiumatom, litiumioner og elektroner ved den positive elektroden. Disse Li-ionene passerer gjennom elektrolytten og lagres i den negative elektroden, mens elektronene beveger seg gjennom den eksterne kretsen. Under utladningsprosessen når vi kobler ekstern belastning over batteriet, beveger de ustabile li-ionene som er lagret i negativ elektrode tilbake til metalloksydet ved den positive elektroden, og elektronene sirkulerer gjennom belastningen. Her fungerer aluminium og kobberfolier som nåværende samlere.
SEI-dannelse:
I Li-ion-batterier, for den første ladingen, er mengden litiumion gitt av den positive elektroden mindre enn antall litiumioner som er reist tilbake til katoden etter første utlading. Dette skyldes dannelsen av SEI (solid elektrolyttgrensesnitt). For de første få lade- og utladningssyklusene, når elektrolytt kommer i kontakt med elektroden, reagerer løsningsmidler i en elektrolytt som er ledsaget av litiumionene under lading med elektroden og begynner å spaltes. Denne spaltning resulterer i dannelse av LiF, Li 2 O, LiCl, Li 2 CO 3 forbindelser. Disse komponentene bunnfaller på elektroden og danner noen få nanometer tykke lag som kalles solid elektrolyttgrensesnitt (SEI) . Dette passiverende laget beskytter elektroden mot korrosjon og videre forbruk av elektrolytt. Dannelsen av SEI skjer i to trinn.
Stadier av SEI-dannelse:
Den første fasen av SEI-dannelse finner sted før litiumioner inkluderes i anoden. På dette stadiet dannes ustabilt og svært motstandsdyktig SEI-lag. Den andre fasen av SEI-lagdannelse skjer samtidig med innkalkingen av litiumioner på anoden. Den resulterende SEI-filmen er porøs, kompakt, heterogen, isolerende mot elektroner som tunneler og ledende for litiumioner. Når SEI-laget dannes, motstår det elektrolyttbevegelsen gjennom det passiverende laget til elektroden. Slik at den styrer den videre reaksjonen mellom elektrolytt- og litiumioner, elektroner ved elektroden og dermed begrenser den videre SEI-veksten.
Viktigheten og effekten av SEI
SEI-laget er den viktigste og mindre forståte komponenten i elektrolytten. Selv om oppdagelsen av SEI-laget er utilsiktet, men et effektivt SEI-lag er viktig for lang levetid, god sykkelevne, høy ytelse, sikkerhet og stabilitet til et batteri. Dannelsen av SEI-laget er en av de viktige hensynene i utformingen av batterier for bedre ytelse. Godt overholdt SEI på elektroder opprettholder god sykkelevne ved å forhindre ytterligere forbruk av elektrolytten. Korrekt innstilling av porøsitet og tykkelse på SEI-laget forbedrer litiumionens ledningsevne gjennom det, resulterer i forbedret batteridrift.
Under den irreversible dannelsen av SEI-laget forbrukes en viss mengde elektrolytt- og litiumioner permanent. Dermed resulterer forbruket av litiumioner under dannelsen av SEI i et permanent kapasitetstap. Det vil være SEI-vekst med mange gjentatte ladninger og utladningssykluser, noe som forårsaker økning i batteriimpedans, temperaturstigning og dårlig effekttetthet.
Funksjonelle egenskaper til SEI
SEI er uunngåelig i et batteri. imidlertid kan effekten av SEI minimeres hvis laget som dannes holder seg til det følgende
- Det må blokkere elektronens direkte kontakt med elektrolytt fordi kontakt mellom elektroner fra elektrodene og elektrolytten forårsaker nedbrytning og reduksjon av elektrolytt.
- Det må være en god ioneleder. Det skal tillate litiumionene fra en elektrolytt å strømme til elektrodene
- Den må være kjemisk stabil, det betyr at den ikke kan reagere med elektrolytt og skal være uoppløselig i elektrolytten.
- Den må være mekanisk stabil, noe som betyr at den skal ha høy styrke for å tåle ekspansjons- og sammentrekksspenninger under lading og utladning.
- Den må opprettholde stabiliteten ved forskjellige driftstemperaturer og potensialer
- Tykkelsen skal være nær noen få nanometer
Kontroll av SEI
Stabilisering og kontroll av SEI er avgjørende for forbedret ytelse og sikker drift av cellen. ALD (atomic deposition) og MLD (Molecular layer deposition) belegg på elektroder styrer SEI-veksten.
Al 2 O 3 (ALD-belegg) med båndgapet på 9,9 eV belagt på elektrodekontroller og stabiliserer SEI-veksten på grunn av den langsomme elektronoverføringshastigheten. Dette vil redusere elektrolyttnedbrytningen og Li-ion-forbruket. På samme måte som aluminiumalkoksid, styrer en av MLD-beleggene SEI-lagets oppbygging. Disse ALD- og MLD-beleggene reduserer kapasitetstapet, forbedrer den coulombiske effektiviteten.