Suprasti kietojo elektrolito sąsają (sei), kad pagerintumėte ličio jonų baterijų veikimą

Šiomis dienomis ličio jonų akumuliatoriai sulaukia daugiau dėmesio dėl to, kad juos plačiai naudoja elektrinėse transporto priemonėse, atsarginėse atsarginėse kopijose, mobiliuosiuose telefonuose, nešiojamuose kompiuteriuose, išmaniuosiuose laikrodžiuose ir kitose nešiojamose elektroninėse prekėse ir pan. elektra varomos transporto priemonės, užtikrinančios daug geresnį našumą. Vienas svarbus parametras, mažinantis ličio baterijos veikimą ir tarnavimo laiką, yra kieto elektrolito sąsajos (SEI) sukūrimas ,tai yra tvirtas sluoksnis, kuris kaupiasi ličio baterijos viduje, kai pradedame ją naudoti. Šio kieto sluoksnio susidarymas blokuoja praėjimą tarp elektrolito ir elektrodų, stipriai veikiančio akumuliatoriaus veikimą. Šiame straipsnyje mes sužinosime daugiau apie šią kietojo elektrolito sąsają (SEI), jos savybes, kaip ji formuojasi, taip pat aptarsime, kaip ją valdyti, siekiant padidinti ličio baterijos veikimą ir tarnavimo laiką. Atkreipkite dėmesį, kad kai kurie žmonės kietųjų elektrolitų sąsają taip pat vadino kietųjų elektrolitų tarpfaze (SEI), abu terminai yra naudojami kaip pakaitomis bendri mokslinių tyrimų darbai, todėl sunku ginčytis, kuris yra teisingas terminas. Dėl šio straipsnio laikysimės kietojo elektrolito sąsajos.

Ličio jonų baterijos:

Prieš nerdami gilyn į SEI, šiek tiek peržiūrėkime Li-jonų elementų pagrindus, kad geriau suprastume sąvoką. Jei dar visiškai nesinaudojate elektra varomomis transporto priemonėmis, prieš tęsdami toliau patikrinkite viską, ką norite žinoti apie elektrinių transporto priemonių akumuliatorių straipsnį, kad suprastumėte EV baterijas.

Ličio jonų baterijas sudaro anodas (neigiamas elektrodas), katodas (teigiamas elektrodas), elektrolitas ir separatorius.

Anodas: grafitas, suodis, ličio titanatas (LTO), silicis ir grafenas yra vienos iš labiausiai pageidaujamų anodo medžiagų. Dažniausiai grafitas, padengtas varine folija, naudojamas kaip anodas. Grafito vaidmuo yra veikti kaip ličio jonų laikymo terpė. Dėl laisvai sujungtos daugiasluoksnės struktūros grafite galima lengvai atlikti atvirkštinį išsiskyrusių ličio jonų interkalavimą.

Katodas: grynas ličio išorinis apvalkalas, turintis vieną valentinį elektroną, yra labai reaktyvus ir nestabilus, todėl stabilus ličio metalo oksidas, padengtas aliuminio folija, naudojamas kaip katodas. Ličio metalo oksidai, tokie kaip ličio nikelio mangano kobalto oksidas („NMC“, LiNixMnyCozO2), ličio nikelio kobalto aliuminio oksidas („NCA“, LiNiCoAlO2), ličio mangano oksidas („LMO“, LiMn2O4), ličio geležies fosfatas), Ličio kobalto oksidas (LiCoO2, "LCO") naudojami kaip katodai.

Elektrolitas: Elektrolitas tarp neigiamo ir teigiamo elektrodų turi būti geras joninis laidininkas ir elektroninis izoliatorius, o tai reiškia, kad jis turi leisti ličio jonams ir per jį turi blokuoti elektronus įkrovimo ir iškrovimo proceso metu. elektrolitas yra organinių karbonato tirpiklių, tokių kaip etileno karbonatas arba dietilkarbonatas, ir Li-jonų druskų, tokių kaip ličio heksafluorfosfatas (LiPF6), ličio perchloratas (LiClO4), ličio heksafluorarenato monohidratas (LiAsF6), ličio triflatas (LiCF3SO3), mišinys. tetrafluoroboratas (LiBF4).

Separatorius: Separatorius yra kritinis elektrolito komponentas. Jis veikia kaip izoliacinis sluoksnis tarp anodo ir katodo, kad būtų išvengta trumpojo jungimo tarp jų, tuo pačiu leidžiant ličio jonams iš katodo į anodą ir atvirkščiai įkrovimo ir iškrovimo metu. Ličio jonų baterijose kaip separatorius dažniausiai naudojamas poliolefinas.

Charg

Įkrovimo metu, kai prijungiame maitinimo šaltinį per akumuliatorių, įjungtas ličio atomas suteikia ličio jonams ir elektronams teigiamą elektrodą. Šie Li-jonai praeina per elektrolitą ir kaupiasi neigiamame elektrode, o elektronai keliauja per išorinę grandinę. Iškrovos proceso metu, kai mes sujungiame išorinę apkrovą per akumuliatorių, nestabilūs Li-jonai, laikomi neigiamame elektrode, grįžta į teigiamo elektrodo metalų oksidą, o elektronai cirkuliuoja per apkrovą. Čia aliuminio ir vario folijos veikia kaip srovės kolektoriai.

SEI formavimas:

Ličio jonų baterijose pirmą kartą įkraunant, teigiamo elektrodo suteikiamas ličio jonų kiekis yra mažesnis nei ličio jonų, nukeliautų atgal į katodą, skaičius po pirmojo iškrovimo. Taip yra dėl SEI (kietojo elektrolito sąsajos) susidarymo. Pirmuosius keletą įkrovimo ir iškrovimo ciklų, kai elektrolitas liečiasi su elektrodu, elektrolite esantys tirpikliai, kuriuos įkrovimo metu lydi ličio jonai, reaguoja su elektrodu ir pradeda irti. Dėl šio skilimo susidaro LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ junginiai. Šie komponentai nusėda ant elektrodo ir sudaro kelių nanometrų storio sluoksnius, vadinamus kietojo elektrolito sąsaja (SEI) . Šis pasyvuojantis sluoksnis apsaugo elektrodą nuo korozijos ir tolesnio elektrolito suvartojimo, SEI susidaro dviem etapais.

SEI formavimo etapai:

Pirmasis etapas SEI formavimo vyksta prieš magnio jonų įtraukimo į anodo. Šiame etape susidaro nestabilus ir labai atsparus SEI sluoksnis. Antrasis etapas SEI sluoksnio formavimo atsitinka vienu metu su ličio jonų įsiterpia dėl anodo. Gauta SEI plėvelė yra akyta, kompaktiška, nevienalytė, izoliuojanti elektronus tunelyje ir laidži ličio jonams. Susiformavęs SEI sluoksnis, jis priešinasi elektrolito judėjimui per pasyvinamąjį sluoksnį į elektrodą. Taigi jis kontroliuoja tolesnę reakciją tarp elektrolito ir ličio jonų, elektronų prie elektrodo ir taip riboja tolesnį SEI augimą.

SEI svarba ir poveikis

SEI sluoksnis yra svarbiausias ir mažiau suprantamas elektrolito komponentas. Nors SEI sluoksnio atradimas yra atsitiktinis, tačiau efektyvus SEI sluoksnis yra svarbus ilgam akumuliatoriaus tarnavimo laikui, geram važiavimui dviračiu, dideliam našumui, saugumui ir stabilumui. SEI sluoksnio susidarymas yra vienas iš svarbiausių aspektų, projektuojant akumuliatorius, siekiant geresnio veikimo. Gerai laikantis elektrodų SEI išlaiko gerą važiavimą dviračiu, užkertant kelią tolesniam elektrolito vartojimui. Tinkamas SEI sluoksnio poringumo ir storio derinimas pagerina ličio jonų laidumą, pagerina baterijos veikimą.

Negrįžtamai susidarant SEI sluoksniui, nuolat sunaudojamas tam tikras kiekis elektrolito ir ličio jonų. Taigi ličio jonų vartojimas susidarant SEI lemia nuolatinį pajėgumų praradimą. Bus daug SEI su daugybe pakartotinių įkrovimo ir iškrovimo ciklų, o tai padidins akumuliatoriaus varža, pakils temperatūra ir blogas galios tankis.

Funkcinės SEI savybės

SEI neišvengiama akumuliatoriuje. tačiau SEI poveikį galima sumažinti, jei susidaręs sluoksnis laikosi šių dalykų

• Jis turi blokuoti tiesioginį elektronų kontaktą su elektrolitu, nes kontaktas tarp elektronų iš elektrodų ir elektrolito sukelia elektrolito degradaciją ir redukciją.
• Tai turi būti geras joninis laidininkas. Jis turėtų leisti ličio jonams iš elektrolito tekėti į elektrodus
• Jis turi būti chemiškai stabilus, vadinasi, jis negali reaguoti su elektrolitu ir turėtų netirpti elektrolite
• Ji turi būti mechaniškai stabili, o tai reiškia, kad ji turėtų būti labai tvirta, kad galėtų toleruoti išsiplėtimo ir susitraukimo įtempimus per įkrovimo ir iškrovimo ciklus.
• Jis turi išlaikyti stabilumą esant įvairioms darbo temperatūroms ir potencialams
• Jo storis turėtų būti artimas keliems nanometrams

SEI kontrolė

SEI stabilizavimas ir kontrolė yra labai svarbūs norint pagerinti elemento veikimą ir saugų jo veikimą. ALD (atominio sluoksnio nusėdimas) ir MLD (molekulinio sluoksnio nusėdimas) dangos ant elektrodų kontroliuoja SEI augimą.

Al ₂ O ₃ (ALD danga) su 9,9 eV dažnių juostos tarpu, padengtu elektrodų valdikliais, ir stabilizuoja SEI augimą dėl savo lėto elektronų perdavimo greičio. Tai sumažins elektrolitų skaidymąsi ir ličio jonų suvartojimą. Lygiai taip pat aliuminio alkoksidas, viena iš MLD dangų kontroliuoja SEI sluoksnio kaupimąsi. Šios ALD ir MLD dangos sumažina talpos praradimą, pagerina kuloninį efektyvumą.