Izpratne par cietā elektrolīta saskarni (sei), lai uzlabotu litija jonu akumulatoru darbību

Šajās dienās litija jonu akumulatori pievērš lielāku uzmanību, jo tos plaši izmanto elektriskajos transportlīdzekļos, jaudas dublējumkopijās, mobilajos tālruņos, klēpjdatoros, viedajos pulksteņos un citās portatīvajās elektroniskajās precēs utt., Tiek veikti daudz pētījumu par litija akumulatoriem, palielinoties pieprasījumam pēc elektriskie transportlīdzekļi daudz labākai veiktspējai. Viens svarīgs parametrs, kas samazina litija akumulatora darbību un kalpošanas laiku, ir cieta elektrolīta saskarnes (SEI) izveide,tas ir ciets slānis, kas veidojas litija akumulatora iekšpusē, kad mēs to sākam lietot. Šī cietā slāņa veidošanās bloķē pāreju starp elektrolītu un elektrodiem, kas ļoti ietekmē akumulatora darbību. Šajā rakstā mēs uzzināsim vairāk par šo cietā elektrolīta saskarni (SEI), tā īpašībām, kā tas veidojas, kā arī apspriedīsim, kā to kontrolēt, lai palielinātu litija akumulatora darbību un kalpošanas laiku. Ņemiet vērā, ka daži cilvēki cieto elektrolītu saskarni sauca arī par cieto elektrolītu starpfāzi (SEI), abi termini tiek izmantoti savstarpēji aizstājami pētniecības dokumenti, un tāpēc ir grūti apgalvot, kurš ir pareizais termins. Šī raksta labad mēs paliksim pie cietā elektrolīta saskarnes.

Litija jonu akumulatori:

Pirms ienirt dziļi SEI, nedaudz pārskatīsim Li-ion šūnu pamatus, lai mēs labāk izprastu šo jēdzienu. Ja elektriskajiem transportlīdzekļiem esat pilnīgi jauns, tad pirms turpināt darbu, pārbaudiet šo rakstu Viss, ko vēlaties zināt par Elektrisko transportlīdzekļu akumulatori.

Litija jonu akumulatorus veido anods (negatīvs elektrods), katods (pozitīvs elektrods), elektrolīts un separators.

Anods: grafīts, ogleklis, litija titanāts (LTO), silīcijs un grafēns ir daži no visvairāk vēlamajiem anoda materiāliem. Visbiežāk grafīts, pārklāts ar vara foliju, ko izmanto kā anodu. Grafīta loma ir darboties kā litija jonu uzglabāšanas videi. Atbrīvoto litija jonu atgriezenisku interkalāciju grafītā var viegli izdarīt, pateicoties tā brīvi savienotajai slāņveida struktūrai.

Katods: tīrs litijs, kura ārējā apvalkā ir viens valances elektrons, ir ļoti reaģējošs un nestabils, tāpēc kā katodu izmanto stabilu litija metāla oksīdu, kas pārklāts ar alumīnija foliju. Litija metāla oksīdi, piemēram, litija niķeļa mangāna kobalta oksīds ("NMC", LiNixMnyCozO2), litija niķeļa kobalta alumīnija oksīds ("NCA", LiNiCoAlO2), litija mangāna oksīds ("LMO", LiMn2O4), litija dzelzs fosfāts), Kā katodus izmanto litija kobalta oksīdu (LiCoO2, "LCO").

Elektrolīts: Elektrolītam starp negatīvo un pozitīvo elektrodu jābūt labam jonu vadītājam un elektroniskam izolatoram, kas nozīmē, ka tam ir jāļauj litija joniem un caur to ir jānobloķē elektroni uzlādes un izlādes procesā. elektrolīts ir organisko karbonātu šķīdinātāju, piemēram, etilēnkarbonāta vai dietilkarbonāta, un Li-jonu sāļu, piemēram, litija heksafluorfosfāta (LiPF6), litija perhlorāta (LiClO4), litija heksafluorarenāta monohidrāta (LiAsF6), litija triflāta (LiCF3SO3), maisījums. tetrafluoroborāts (LiBF4).

Atdalītājs: separators ir kritiska sastāvdaļa elektrolītā. Tas darbojas kā izolācijas slānis starp anodu un katodu, lai izvairītos no īssavienojuma starp tiem, vienlaikus ļaujot litija joniem no katoda uz anodu un otrādi uzlādes un izlādes laikā. Litija jonu akumulatoros kā atdalītāju galvenokārt izmanto poliolefīnu.

Maksa

Uzlādes procesā, kad akumulatoram ir pievienots strāvas avots, litija atoms ar enerģiju dod litija jonus un elektronus pie pozitīvā elektroda. Šie Li-joni iziet cauri elektrolītam un tiek uzglabāti negatīvajā elektrodā, bet elektroni pārvietojas pa ārējo ķēdi. Izlādes procesā, kad mēs savienojam ārējo slodzi pāri akumulatoram, negatīvajos elektrodos uzkrātie nestabilie Li-joni dodas atpakaļ uz metāla oksīdu pie pozitīvā elektroda, un elektroni cirkulē caur slodzi. Šeit alumīnija un vara folijas darbojas kā strāvas kolektori.

SEI veidošana:

Li-ion baterijās pirmās uzlādes gadījumā pozitīvā elektroda dotais litija jonu daudzums ir mazāks par litija jonu skaitu, kas pēc pirmās izlādes ir atgriezies atpakaļ katodā. Tas ir saistīts ar SEI (cietā elektrolīta saskarnes) veidošanos. Pirmajos pāris uzlādes un izlādes ciklos, kad elektrolīts nonāk saskarē ar elektrodu, elektrolītā esošie šķīdinātāji, kuriem uzlādes laikā pievienojas litija joni, reaģē ar elektrodu un sāk sadalīties. Šī sadalīšanās rezultātā veidojas LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ savienojumi. Šie komponenti nogulsnējas uz elektroda un veido dažus nanometru biezus slāņus, ko sauc par cietā elektrolīta saskarni (SEI) . Šis pasivējošais slānis aizsargā elektrodu no korozijas un turpmāka elektrolīta patēriņa, SEI veidošanās notiek divos posmos.

SEI veidošanas posmi:

Pirmais posms SEI veidošanās notiek pirms litija jonu iekļaušanu anoda. Šajā posmā veidojas nestabils un ļoti izturīgs SEI slānis. Otrais posms no SEI uzneøanu notiek vienlaicīgi ar interkalāciju litija jonu uz anoda. Rezultātā iegūtā SEI plēve ir poraina, kompakta, neviendabīga, izolē elektronus, kas ir tuneļa un vadoši litija joniem. Kad SEI slānis ir izveidojies, tas pretojas elektrolīta kustībai caur pasivējošo slāni uz elektrodu. Tā, ka tas kontrolē turpmāko reakciju starp elektrolītu un litija joniem, elektroniem pie elektroda un tādējādi ierobežo turpmāko SEI augšanu.

SEI nozīme un ietekme

SEI slānis ir vissvarīgākā un mazāk saprotamā elektrolīta sastāvdaļa. Lai gan SEI slāņa atklāšana ir nejauša, taču efektīvs SEI slānis ir svarīgs akumulatora ilgam kalpošanas laikam, labām riteņbraukšanas spējām, lielai veiktspējai, drošībai un stabilitātei. SEI slāņa veidošanās ir viens no svarīgiem apsvērumiem, izstrādājot baterijas labākai veiktspējai. Labi pielīmēts SEI uz elektrodiem saglabā labu riteņbraukšanas spēju, novēršot turpmāku elektrolīta patēriņu. Pareiza porainības un SEI slāņa biezuma regulēšana caur to uzlabo litija jonu vadītspēju, kā rezultātā uzlabojas akumulatora darbība.

Neatgriezeniskas SEI slāņa veidošanās laikā pastāvīgi tiek patērēts noteikts daudzums elektrolīta un litija jonu. Tādējādi litija jonu patēriņš SEI veidošanās rezultātā rada pastāvīgu jaudas zudumu. Būs SEI pieaugums ar daudziem atkārtotiem uzlādes un izlādes cikliem, kas izraisa akumulatora pretestības pieaugumu, temperatūras paaugstināšanos un sliktu jaudas blīvumu.

SEI funkcionālās īpašības

SEI nav iespējams izvairīties no akumulatora. tomēr SEI efektu var samazināt līdz minimumam, ja izveidotais slānis ievēro sekojošo

• Tam jābloķē tiešais elektronu kontakts ar elektrolītu, jo kontakts starp elektrodiem no elektrodiem un elektrolītu izraisa elektrolīta noārdīšanos un samazināšanos.
• Tam jābūt labam jonu vadītājam. Tam jāļauj litija joniem no elektrolīta plūst uz elektrodiem
• Tam jābūt ķīmiski stabilam, tas nozīmē, ka tas nevar reaģēt ar elektrolītu, un tam jābūt nešķīstošam elektrolītā
• Tam jābūt mehāniski stabilam, kas nozīmē, ka tam jābūt ar lielu izturību, lai tas varētu izturēt izplešanās un saraušanās spriegumus uzlādes un izlādes ciklu laikā.
• Tam jāuztur stabilitāte dažādās darba temperatūrās un potenciālos apstākļos
• Tās biezumam jābūt tuvu dažiem nanometriem

SEI kontrole

SEI stabilizācijai un kontrolei ir izšķiroša nozīme, lai uzlabotu šūnas veiktspēju un drošu darbību. ALD (atomu slāņa nogulsnēšanās) un MLD (molekulārā slāņa nogulsnēšanās) pārklājumi uz elektrodiem kontrolē SEI augšanu.

Al ₂ O ₃ (ALD pārklājums) ar 9,9 eV joslu atstarpi, kas pārklāta ar elektrodu vadību, un stabilizē SEI pieaugumu, pateicoties tā lēnajam elektronu pārneses ātrumam. Tas samazinās elektrolītu sadalīšanos un litija jonu patēriņu. Tādā pašā veidā alumīnija alkoksīds, viens no MLD pārklājumiem kontrolē SEI slāņa uzkrāšanos. Šie ALD un MLD pārklājumi samazina jaudas zudumu, uzlabo kulonisko efektivitāti.