Kiinteän elektrolyyttirajapinnan (sei) ymmärtäminen litiumioniakun suorituskyvyn parantamiseksi

Nykyään litiumioniakut ovat saamassa enemmän huomiota, koska niitä on käytetty laajasti sähköajoneuvoissa, tehovarmuuskopioissa, matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, älykelloissa ja muissa kannettavissa elektroniikkalaitteissa jne.. sähköajoneuvot parempaan suorituskykyyn. Yksi tärkeä parametri, joka vähentää litiumpariston suorituskykyä ja käyttöikää, on kiinteän elektrolyyttirajapinnan (SEI) kehittäminen,tämä on kiinteä kerros, joka rakentuu litiumpariston sisälle, kun aloitamme sen käytön. Tämän kiinteän kerroksen muodostuminen estää kulun elektrolyytin ja elektrodien välillä, mikä vaikuttaa voimakkaasti akun suorituskykyyn. Tässä artikkelissa opitaan lisää tästä kiinteän elektrolyytin rajapinnasta (SEI), sen ominaisuuksista, muodosta ja keskustellaan myös siitä, kuinka sitä voidaan hallita litiumakun suorituskyvyn ja käyttöiän parantamiseksi. Huomaa, että jotkut ihmiset kutsuivat myös kiinteää elektrolyyttiliitäntää kiinteän elektrolyytin välivaiheeksi (SEI), molempia termejä käytetään keskenään vaihdettavasti yleisinä tutkimuspapereina, joten on vaikea väittää, mikä on oikea termi. Tämän artikkelin vuoksi pidämme kiinni kiinteän elektrolyytin rajapinnasta.

Litiumioniakut:

Ennen kuin sukelamme syvälle SEI: hen, tarkistetaan vähän Li-ion-solujen perusteista, jotta ymmärrämme paremmin käsitteen. Jos olet täysin uusi sähköajoneuvoissa, tarkista tämä kaikki, mitä haluat tietää sähköajoneuvojen akuista, ymmärtääksesi EV-akut ennen kuin jatkat.

Litiumioniakut koostuvat anodista (negatiivinen elektrodi), katodista (positiivinen elektrodi), elektrolyytistä ja erottimesta.

Anodi: Grafiitti, hiilimusta, litiumtitanaatti (LTO), pii ja grafeeni ovat joitain suosituimpia anodimateriaaleja. Yleisimmin grafiitti, päällystetty kuparikalvolla, jota käytetään anodina. Grafiitin tehtävänä on toimia litiumionien varastointivälineenä. Vapautuneiden litiumionien palautuva interkalaatio voidaan tehdä helposti grafiitissa, koska se on löyhästi sitoutunut kerrostettu rakenne.

Katodi: Puhdas litium, jonka ulkokuoressa on yksi valanssielektroni, on erittäin reaktiivinen ja epävakaa, joten katodina käytettävä stabiili litiummetallioksidi, päällystetty alumiinikalvolle. Litiummetallioksidit, kuten litium-nikkeli-mangaanikobolttioksidi ("NMC", LiNixMnyCozO2), litium-nikkeli-koboltti-alumiinioksidi ("NCA", LiNiCoAlO2), litium-mangaanioksidi ("LMO", LiMn2O4), "Litium-rautafosfaatti"), Litiumkobolttioksidia (LiCo02, "LCO") käytetään katodeina.

Elektrolyytti: Negatiivisten ja positiivisten elektrodien välisen elektrolyytin on oltava hyvä ionijohdin ja elektroninen eristin, mikä tarkoittaa, että sen on sallittava litiumionit ja estettävä elektronit sen läpi lataus- ja purkausprosessin aikana. elektrolyytti on seos orgaanisia karbonaattiliuottimia, kuten etyleenikarbonaatti tai dietyylikarbonaatti, ja Li-ionisuoloja, kuten litiumheksafluorifosfaatti (LiPF6), litiumperkloraatti (LiClO4), litiumheksafluoriarenaattimonohydraatti (LiAsF6), litiumtriflaatti (LiCF3SO3) tetrafluoriboraatti (LiBF4).

Erotin: Erotin on kriittinen komponentti elektrolyytissä. Se toimii eristävänä kerroksena anodin ja katodin välillä, jotta vältetään oikosulku niiden välillä samalla kun litiumionit katodista anodiin ja päinvastoin latauksen ja purkamisen aikana. Litium-ioniakkuissa käytetään erottimena pääasiassa polyolefiinia.

Maksu

Latausprosessin aikana, kun liitämme virtalähteen akun yli, virtaa saava litiumatomi antaa litiumioneja ja elektroneja positiiviselle elektrodille. Nämä Li-ionit kulkevat elektrolyytin läpi ja varastoituvat negatiiviseen elektrodiin, kun taas elektronit kulkevat ulkoisen piirin läpi. Kun yhdistämme ulkoisen kuorman akun yli purkausprosessin aikana, negatiiviseen elektrodiin varastoituneet epävakaat Li-ionit kulkeutuvat positiivisen elektrodin metallioksidiin ja elektronit kiertävät kuorman läpi. Tässä alumiini- ja kuparikalvot toimivat virran kerääjinä.

SEI-muodostuminen:

Li-ion-akuissa ensimmäistä latausta varten positiivisen elektrodin antama litium-ionimäärä on pienempi kuin katodille ensimmäisen purkauksen jälkeen kulkeutuneiden litiumionien määrä. Tämä johtuu SEI: n (kiinteän elektrolyyttirajapinnan) muodostumisesta. Muutaman ensimmäisen lataus- ja purkaussyklin aikana, kun elektrolyytti joutuu kosketuksiin elektrodin kanssa, elektrolyytissä olevat liuottimet, joiden mukana litiumionit ovat latauksen aikana, reagoivat elektrodin kanssa ja alkavat hajota. Hajoamisen tuloksena muodostuu LiF, Li ₂ O, LiCI, Li ₂ CO ₃ yhdisteitä. Nämä komponentit saostuvat elektrodille ja muodostavat muutaman nanometrin paksuisen kerroksen, jota kutsutaan kiinteäksi elektrolyyttirajapinnaksi (SEI) . Tämä passiivikerros suojaa elektrodia korroosiolta ja elektrolyytin lisäkulutukselta, SEI: n muodostuminen tapahtuu kahdessa vaiheessa.

SEI: n muodostumisen vaiheet:

Ensimmäinen vaihe SEI muodostuminen tapahtuu ennen litium-ioneja sisällyttäminen anodi. Tässä vaiheessa muodostuu epävakaa ja erittäin vastustuskykyinen SEI-kerros. Toinen vaihe SEI kerroksen muodostumisen tapahtuu samanaikaisesti intercalation litiumionien anodille. Tuloksena oleva SEI-kalvo on huokoinen, kompakti, heterogeeninen, eristävä tunneleita elektroneille ja johtavaa litiumioneja varten. Kun SEI-kerros muodostuu, se vastustaa elektrolyytin liikettä passiivisen kerroksen läpi elektrodille. Joten se kontrolloi elektrolyytin ja litiumionien välistä lisäreaktiota, elektrodin elektroneja ja siten rajoittaa SEI: n kasvua edelleen.

SEI: n merkitys ja vaikutukset

SEI-kerros on tärkein ja vähemmän ymmärretty komponentti elektrolyytissä. Vaikka SEI-kerroksen löytäminen on vahingossa, mutta tehokas SEI-kerros on tärkeä akun pitkäikäisyyden, hyvän pyöräilykyvyn, korkean suorituskyvyn, turvallisuuden ja vakauden kannalta. SEI-kerroksen muodostuminen on yksi tärkeistä näkökohdista paristojen suunnittelussa parempaa suorituskykyä varten. Hyvin tarttunut SEI elektrodeilla ylläpitää hyvää pyöräilykykyä estämällä elektrolyytin jatkokulutuksen. SEI-kerroksen huokoisuuden ja paksuuden asianmukainen viritys parantaa litiumionien johtavuutta sen läpi, johtaa parempaan pariston toimintaan.

SEI-kerroksen peruuttamattoman muodostumisen aikana tietty määrä elektrolyytti- ja litiumioneja kulutetaan pysyvästi. Siten litiumionien kulutus SEI: n muodostumisen aikana johtaa pysyvään kapasiteetin menetykseen. SEI kasvaa monilla toistuvilla lataus- ja purkaussyklillä, mikä aiheuttaa akun impedanssin kasvun, lämpötilan nousun ja huonon tehotiheyden.

SEI: n toiminnalliset ominaisuudet

SEI on väistämätön akussa. SEI: n vaikutus voidaan kuitenkin minimoida, jos muodostunut kerros noudattaa seuraavaa

• Sen on estettävä elektronien suora kosketus elektrolyyttiin, koska elektrodeista peräisin olevien elektronien ja elektrolyytin välinen kosketus aiheuttaa elektrolyytin hajoamisen ja vähenemisen.
• Sen on oltava hyvä ionijohdin. Sen tulisi antaa elektrolyytin litiumionien virrata elektrodeihin
• Sen on oltava kemiallisesti stabiili, mikä tarkoittaa, että se ei voi reagoida elektrolyytin kanssa ja sen tulisi olla liukenematon elektrolyyttiin
• Sen on oltava mekaanisesti vakaa, mikä tarkoittaa, että sillä on oltava suuri lujuus sietämään laajenemis- ja supistumisjännityksiä lataus- ja purkutoimitusten aikana.
• Sen on ylläpidettävä vakautta eri käyttölämpötiloissa ja -potentiaalissa
• Sen paksuuden tulisi olla lähellä muutamaa nanometriä

SEI: n hallinta

SEI: n vakauttaminen ja hallinta ovat ratkaisevan tärkeitä solun paremman suorituskyvyn ja turvallisen toiminnan kannalta. Elektrodien ALD (atomikerroslaskeuma) ja MLD (molekyylikerroslaskeuma) -pinnoitteet säätelevät SEI-kasvua.

Al ₂ O ₃ (ALD-pinnoite), jonka elektrodisäätimillä on päällystetty 9,9 eV: n kaistaväli ja vakauttaa SEI: n kasvun sen hitaan elektroninsiirtonopeuden ansiosta. Tämä vähentää elektrolyytin hajoamista ja litiumionien kulutusta. Samalla tavalla alumiinialkoksidi, yksi MLD-pinnoitteista ohjaa SEI-kerroksen muodostumista. Nämä ALD- ja MLD-pinnoitteet vähentävät kapasiteettihäviötä, parantavat coulombic-tehokkuutta.