Pag-unawa sa solidong electrolyte interface (sei) upang mapabuti ang pagganap ng baterya ng lithium ion

Sa mga araw na ito ang mga baterya ng Lithium-ion ay nakakakuha ng higit na pansin dahil sa kanilang kalat na aplikasyon sa Mga Elektrikong Sasakyan, Mga pag-backup ng kuryente, Mga Mobiles, Laptop, mga smartwatches, at iba pang mga portable electronic na kalakal, atbp. Maraming pananaliksik ang nangyayari sa mga baterya ng lithium na may mas mataas na pangangailangan para sa mga sasakyang de-kuryente para sa mas mahusay na pagganap. Ang isang mahalagang parameter na bumabawas sa pagganap at habang buhay ng lithium na baterya ay ang pagbuo ng isang solidong electrolyte interface (SEI),ito ay isang solidong layer na nagtatayo sa loob ng baterya ng lithium habang sinisimulan namin itong gamitin. Ang pagbuo ng solidong layer na ito ay hinaharangan ang daanan sa pagitan ng electrolyte at electrodes na lubhang nakakaapekto sa pagganap ng baterya. Sa artikulong ito, malalaman natin ang higit pa tungkol sa Solid electrolyte interface (SEI) na ito, mga katangian nito, kung paano ito nabubuo at tatalakayin din kung paano makontrol ito upang madagdagan ang pagganap at buhay ng isang baterya ng Lithium. Tandaan na ang ilang mga tao ay tinawag din na Solid Electrolyte Interface bilang Solid Electrolyte Interphase (SEI), kapwa ang mga term na ginamit na palitan ng pangkalahatang mga papeles sa pagsasaliksik at samakatuwid mahirap na magtaltalan kung aling ang tamang term. Alang-alang sa artikulong ito, mananatili kami sa solidong interface ng electrolyte.

Mga baterya ng lithium-ion:

Bago tayo sumisid nang malalim sa SEI, baguhin natin nang kaunti ang mga pangunahing kaalaman sa mga Li-ion cells upang mas maintindihan natin ang konsepto. Kung ikaw ay ganap na bago sa mga de-koryenteng sasakyan pagkatapos suriin ito Lahat ng nais mong malaman tungkol sa artikulong Mga Sasakyan ng Electric Vehicle upang maunawaan ang mga EV baterya bago ka magpatuloy.

Ang mga baterya ng lithium-ion ay binubuo ng Anode (negatibong elektrod), katod (positibong elektrod), electrolyte, at separator.

Anode: Ang grapite, carbon black, lithium titanate (LTO), Silicon, at graphene ay ilan sa mga pinakahalagang materyales sa anode. Karamihan sa mga karaniwang grapito, pinahiran sa tanso foil na ginamit bilang anode. Ang papel na ginagampanan ng Graphite ay kumilos bilang isang medium ng pag-iimbak para sa mga ion ng lithium. Ang maibabalik na intercalation ng mga napalaya na mga ion ng lithium ay madaling gawin sa grapayt dahil sa maluwag na pinagbuklod na layered na istraktura.

Cathode: Ang purong Lithium na mayroong isang valance electron sa panlabas na shell ay lubos na reaktibo at hindi matatag, upang ang matatag na lithium metal oxide, pinahiran sa aluminyo foil na ginamit bilang katod. Ang mga lithium metal oxide tulad ng Lithium nickel manganese cobalt oxide ("NMC", LiNixMnyCozO2), Lithium Nickel Cobalt Aluminium Okside ("NCA", LiNiCoAlO2), Lithium Manganese Oxide ("LMO", LiMn2O4), Lithium Iron Phosphate ("LFP", LiFePO4), Ang Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2, "LCO") ay ginagamit bilang mga cathode.

Electrolyte: Ang electrolyte sa pagitan ng mga negatibo at positibong electrode ay dapat na isang mahusay na ionic conductor at isang elektronikong insulator na nangangahulugang kailangan nitong payagan ang mga ion ng lithium at kailangang harangan ang mga electron sa pamamagitan nito habang isinasagawa ang proseso ng pagsingil at pagpapalabas. ang isang electrolyte ay pinaghalong organikong carbonate solvents tulad ng ethylene carbonate o diethyl carbonate at Li-ion salts tulad ng lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium perchlorate (LiClO4), lithium Hexafluoroarsenate monohidrat (LiAsF6), lithium triflium tetrafluoroborate (LiBF4).

Separator: Ang Separator ay isang kritikal na sangkap sa electrolyte. Gumaganap ito bilang isang insulate layer sa pagitan ng anode at cathode upang maiwasan ang maikling circuit sa pagitan ng mga ito habang pinapayagan ang mga lithium ions mula sa cathode sa anode at vice versa habang nagcha-charge at naglalabas. Sa mga baterya ng lithium-ion na karamihan sa polyolefin ay ginagamit bilang naghihiwalay.

Charg

Sa panahon ng proseso ng pagsingil kapag kumonekta kami ng isang mapagkukunan ng kuryente sa baterya, pinasigla ang atom ng Lithium, ay nagbibigay ng mga ion ng ion at electron sa positibong elektrod. Ang mga Li-ions na ito ay dumadaan sa electrolyte at naiimbak sa negatibong elektrod, habang ang mga electron ay naglalakbay sa pamamagitan ng panlabas na circuit. Sa panahon ng proseso ng paglabas kapag ikinonekta namin ang panlabas na pagkarga sa baterya, ang hindi matatag na mga Li-ions na nakaimbak sa negatibong elektrod ay naglalakbay pabalik sa metal oxide sa positibong elektrod at mga electron na nagpapalipat-lipat sa pagkarga. Dito kumikilos ang mga aluminyo at tanso na foil bilang kasalukuyang mga kolektor.

Pagbubuo ng SEI:

Sa mga baterya ng Li-ion, para sa unang pagsingil, ang dami ng lithium-ion na ibinigay ng positibong elektrod ay mas mababa kaysa sa bilang ng mga lithium ion na naglakbay pabalik sa cathode pagkatapos ng unang pagpapalabas. Ito ay dahil sa pagbuo ng SEI (solidong electrolyte interface). Para sa unang ilang mga pag-charge at paglabas ng mga siklo, kapag ang electrolyte ay nakikipag-ugnay sa elektrod, ang mga solvents sa isang electrolyte na sinamahan ng mga lithium ions habang ang pagsingil ay tumutugon sa elektrod at nagsisimulang mabulok. Ang agnas na ito ay nagreresulta sa pagbuo ng LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ compound. Ang mga sangkap na ito ay namumuo sa elektrod at bumubuo ng ilang nanometer makapal na mga layer na tinatawag na solid electrolyte interface (SEI) . Ang passivating layer na ito ay pinoprotektahan ang electrode mula sa kaagnasan at karagdagang pagkonsumo ng electrolyte, ang pagbuo ng SEI ay nangyayari sa dalawang yugto.

Mga yugto ng Formasyon ng SEI:

Ang unang yugto ng pagbuo ng SEI ay nagaganap bago isama ang lithium ions sa anode. Sa yugtong ito, hindi matatag at lubos na resistive na mga form ng layer ng SEI. Ang pangalawang yugto ng pagbuo ng layer ng SEI ay nangyayari nang sabay-sabay sa pag-agwat ng mga ion ng lithium sa anode. Ang nagresultang SEI film ay may butas, compact, heterogeneous, insulate sa mga electron na tunneling at conductive para sa mga lithium ions. Kapag nabuo ang layer ng SEI, lumalaban ito sa paggalaw ng electrolyte sa pamamagitan ng passivating layer sa elektrod. Kaya't kinokontrol nito ang karagdagang reaksyon sa pagitan ng mga electrolyte at lithium ion, mga electron sa elektrod at sa gayon ay pinaghihigpitan ang karagdagang paglago ng SEI.

Kahalagahan at Mga Epekto ng SEI

Ang layer ng SEI ang pinakamahalaga at hindi gaanong nauunawaan na sangkap sa electrolyte. Kahit na ang pagtuklas ng layer ng SEI ay hindi sinasadya, ngunit ang isang mabisang layer ng SEI ay mahalaga para sa mahabang buhay, mahusay na kakayahan sa pagbibisikleta, mataas na pagganap, kaligtasan at katatagan ng isang baterya. Ang pagbuo ng layer ng SEI ay isa sa mga mahalagang pagsasaalang-alang sa pagdidisenyo ng mga baterya para sa mas mahusay na pagganap. Ang mahusay na sinusunod na SEI sa mga electrodes ay nagpapanatili ng mahusay na kakayahan sa pagbibisikleta sa pamamagitan ng pagpigil sa karagdagang pagkonsumo ng electrolyte. Ang wastong pag-tune ng porosity at kapal ng layer ng SEI ay nagpapabuti sa kondaktibiti ng lithium ions sa pamamagitan nito, na nagreresulta sa pinabuting operasyon ng baterya.

Sa panahon ng hindi maibabalik na pagbuo ng layer ng SEI, isang tiyak na halaga ng mga electrolyte at lithium ions ay permanenteng natupok. Sa gayon ang pagkonsumo ng mga lithium ions sa panahon ng pagbuo ng SEI ay nagreresulta sa isang permanenteng pagkawala ng kapasidad. Magkakaroon ng paglaki ng SEI kasama ang maraming paulit-ulit na singil at pag-ikot ng mga pag-ikot, na sanhi ng pagtaas sa impedance ng baterya, pagtaas ng temperatura, at mahinang lakas ng lakas.

Functional Properties ng SEI

Hindi maiiwasan ang SEI sa isang baterya. gayunpaman, ang epekto ng SEI ay maaaring mabawasan kung ang layer na nabuo ay sumusunod sa mga sumusunod

• Kailangan nitong harangan ang direktang pakikipag-ugnay ng mga electron na may electrolyte sapagkat ang pakikipag-ugnay sa pagitan ng mga electron mula sa mga electrodes at electrolyte ay sanhi ng pagkasira at pagbawas ng electrolyte.
• Kailangan itong maging isang mahusay na ionic conductor. Dapat nitong payagan ang mga lithium ions mula sa isang electrolyte na dumaloy sa mga electrode
• Dapat itong maging matatag sa kimika na nangangahulugang hindi ito maaaring tumugon sa electrolyte at dapat na hindi malulutas sa electrolyte
• Dapat itong maging matatag sa mekanikal na nangangahulugang dapat itong magkaroon ng isang mataas na lakas upang tiisin ang pagpapalawak at pag-igting ng stress sa pag-charge at paglabas ng mga cycle.
• Ito ay upang mapanatili ang katatagan sa iba't ibang mga operating temperatura at mga potensyal
• Ang kapal nito ay dapat na malapit sa ilang mga nanometers

Pagkontrol ng SEI

Ang pagpapatatag at kontrol ng SEI ay mahalaga para sa pinabuting pagganap at ligtas na pagpapatakbo ng cell. Ang ALD (atomic layer deposition) at MLD (Molecular layer deposition) na mga coatings sa electrodes ay kumokontrol sa paglago ng SEI.

Al ₂ O ₃ (ALD coating) na may bandgap na 9.9 eV na pinahiran sa mga kontrol ng electrode at pinapatatag ang paglago ng SEI dahil sa mabagal na rate ng paglipat ng electron. Bawasan nito ang agnas ng electrolyte at pagkonsumo ng Li-ion. Sa parehong paraan Aluminium alkoxide, ang isa sa mga patong ng MLD ay kumokontrol sa SEI layer build-up. Ang mga ALD at MLD coatings na ito ay nagbabawas ng pagkawala ng kapasidad, nagpapabuti sa coulombic na kahusayan.