Verständnis der Festelektrolyt-Grenzfläche (sei) zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien

Heutzutage gewinnen Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer weit verbreiteten Anwendung in Elektrofahrzeugen, Notstromversorgungen, Mobiltelefonen, Laptops, Smartwatches und anderen tragbaren elektronischen Gütern usw. zunehmend an Bedeutung. Mit der steigenden Nachfrage nach Lithiumbatterien wird viel geforscht Elektrofahrzeuge für viel bessere Leistung. Ein wichtiger Parameter, der die Leistung und Lebensdauer von Lithiumbatterien verringert, ist die Entwicklung einer Festelektrolytschnittstelle (SEI).Dies ist eine feste Schicht, die sich in der Lithiumbatterie bildet, wenn wir sie verwenden. Die Bildung dieser festen Schicht blockiert den Durchgang zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden, was die Leistung der Batterie stark beeinträchtigt. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über diese Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI), ihre Eigenschaften, ihre Bildung und ihre Steuerung, um die Leistung und Lebensdauer einer Lithiumbatterie zu erhöhen. Beachten Sie, dass einige Leute Solid Electrolyte Interface auch als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnen. Beide Begriffe werden austauschbar in Forschungsarbeiten verwendet, und daher ist es schwierig zu argumentieren, welcher Begriff der richtige ist. Für diesen Artikel bleiben wir bei der Festelektrolyt-Grenzfläche.

Lithium-Ionen-Batterien:

Bevor wir uns eingehend mit SEI befassen, wollen wir uns ein wenig mit den Grundlagen von Li-Ionen-Zellen befassen, damit wir das Konzept besser verstehen. Wenn Sie mit Elektrofahrzeugen noch nicht vertraut sind, lesen Sie diesen Artikel Alles, was Sie über Elektrofahrzeugbatterien wissen möchten, um die EV-Batterien zu verstehen, bevor Sie fortfahren.

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Anode (negative Elektrode), Kathode (positive Elektrode), Elektrolyt und Separator.

Anode: Graphit, Ruß, Lithiumtitanat (LTO), Silizium und Graphen sind einige der am meisten bevorzugten Anodenmaterialien. Am häufigsten Graphit, beschichtet auf Kupferfolie, die als Anode verwendet wird. Graphit hat die Aufgabe, als Speichermedium für Lithiumionen zu fungieren. Die reversible Interkalation von freigesetzten Lithiumionen kann im Graphit aufgrund seiner locker gebundenen Schichtstruktur leicht durchgeführt werden.

Kathode: Reines Lithium mit einem Valenzelektronen auf seiner Außenhülle ist hochreaktiv und instabil, so dass stabiles Lithiummetalloxid, beschichtet auf Aluminiumfolie, als Kathode verwendet wird. Lithiummetalloxide wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid ("NMC", LiNixMnyCozO2), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid ("NCA", LiNiCoAlO2), Lithium-Manganoxid ("LMO", LiMn2O4), Lithiumeisenphosphat ("LFP4", LiFe)) Werden Lithiumkobaltoxid (LiCoO2, "LCO") als Kathoden verwendet.

Elektrolyt: Der Elektrolyt zwischen der negativen und der positiven Elektrode muss ein guter Ionenleiter und ein elektronischer Isolator sein. Dies bedeutet, dass er die Lithiumionen zulassen und die Elektronen während des Lade- und Entladevorgangs durch sie blockieren muss. Ein Elektrolyt ist eine Mischung aus organischen Carbonatlösungsmitteln wie Ethylencarbonat oder Diethylcarbonat und Li-Ionensalzen wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluorarsenatmonohydrat (LiAsF6), Lithiumtriflat (LiCF3), Lithiumtriflat (LiCF3) Tetrafluorborat (LiBF4).

Separator: Separator ist eine kritische Komponente im Elektrolyten. Es wirkt als Isolierschicht zwischen Anode und Kathode, um den Kurzschluss zwischen ihnen zu vermeiden, während die Lithiumionen während des Ladens und Entladens von der Kathode zur Anode und umgekehrt gelangen. In Lithium-Ionen-Batterien wird hauptsächlich Polyolefin als Separator verwendet.

Charg

Während des Ladevorgangs, wenn wir eine Stromquelle über die Batterie anschließen, gibt das angeregte Lithiumatom Lithiumionen und Elektronen an der positiven Elektrode ab. Diese Li-Ionen passieren den Elektrolyten und werden in der negativen Elektrode gespeichert, während sich Elektronen durch den externen Stromkreis bewegen. Während des Entladevorgangs, wenn wir eine externe Last über die Batterie anschließen, wandern die in der negativen Elektrode gespeicherten instabilen Li-Ionen zum Metalloxid an der positiven Elektrode zurück und Elektronen zirkulieren durch die Last. Hier wirken Aluminium- und Kupferfolien als Stromkollektoren.

SEI-Bildung:

In Li-Ionen-Batterien ist beim ersten Laden die von der positiven Elektrode abgegebene Lithiumionenmenge geringer als die Anzahl der Lithiumionen, die nach dem ersten Entladen zur Kathode zurückgeführt werden. Dies ist auf die Bildung von SEI (Festelektrolytgrenzfläche) zurückzuführen. Während der ersten Lade- und Entladezyklen, wenn der Elektrolyt mit der Elektrode in Kontakt kommt, reagieren Lösungsmittel in einem Elektrolyten, die während des Ladens von den Lithiumionen begleitet werden, mit der Elektrode und beginnen sich zu zersetzen. Diese Zersetzung führt zur Bildung von LiF-, Li ₂ O-, LiCl-, Li ₂ CO ₃ -Verbindungen. Diese Komponenten fallen auf der Elektrode aus und bilden einige wenige Nanometer dicke Schichten, die als Festelektrolytgrenzfläche (SEI) bezeichnet werden . Diese Passivierungsschicht schützt die Elektrode vor Korrosion und weiterem Elektrolytverbrauch, die Bildung von SEI erfolgt in zwei Stufen.

Stadien der SEI-Bildung:

Die erste Stufe der SEI-Bildung findet vor dem Einschluss von Lithiumionen in die Anode statt. In diesem Stadium bildet sich eine instabile und hochohmige SEI-Schicht. Die zweite Stufe der SEI-Schichtbildung erfolgt gleichzeitig mit der Interkalation von Lithiumionen an der Anode. Der resultierende SEI-Film ist porös, kompakt, heterogen, isoliert zum Elektronentunneln und leitend für Lithiumionen. Sobald sich die SEI-Schicht gebildet hat, widersteht sie der Elektrolytbewegung durch die Passivierungsschicht zur Elektrode. Damit steuert es die weitere Reaktion zwischen Elektrolyt- und Lithiumionen, Elektronen an der Elektrode und schränkt so das weitere SEI-Wachstum ein.

Bedeutung und Auswirkungen von SEI

Die SEI-Schicht ist die wichtigste und am wenigsten verstandene Komponente im Elektrolyten. Obwohl die Entdeckung der SEI-Schicht zufällig ist, ist eine effektive SEI-Schicht wichtig für die lange Lebensdauer, die gute Fahrradfähigkeit, die hohe Leistung, die Sicherheit und die Stabilität einer Batterie. Die Bildung der SEI-Schicht ist eine der wichtigen Überlegungen bei der Entwicklung von Batterien für eine bessere Leistung. Gut haftende SEI auf Elektroden erhalten eine gute Zyklenfähigkeit aufrecht, indem ein weiterer Verbrauch des Elektrolyten verhindert wird. Die richtige Abstimmung der Porosität und Dicke der SEI-Schicht verbessert die Leitfähigkeit der Lithiumionen durch sie und führt zu einem verbesserten Batteriebetrieb.

Während der irreversiblen Bildung der SEI-Schicht wird eine bestimmte Menge an Elektrolyt- und Lithiumionen permanent verbraucht. Somit führt der Verbrauch von Lithiumionen während der Bildung von SEI zu einem dauerhaften Kapazitätsverlust. Mit den vielen wiederholten Lade- und Entladezyklen wird es zu einem SEI-Wachstum kommen, was zu einer Zunahme der Batterieimpedanz, eines Temperaturanstiegs und einer schlechten Leistungsdichte führt.

Funktionale Eigenschaften von SEI

SEI ist in einer Batterie unvermeidlich. Die Wirkung von SEI kann jedoch minimiert werden, wenn die gebildete Schicht an den folgenden Bedingungen haftet

• Es muss den direkten Kontakt von Elektronen mit dem Elektrolyten blockieren, da der Kontakt zwischen den Elektronen von den Elektroden und dem Elektrolyten einen Abbau und eine Verringerung des Elektrolyten verursacht.
• Es muss ein guter Ionenleiter sein. Es sollte ermöglichen, dass die Lithiumionen aus einem Elektrolyten zu den Elektroden fließen
• Es muss chemisch stabil sein, dh es kann nicht mit Elektrolyt reagieren und sollte im Elektrolyten unlöslich sein
• Es muss mechanisch stabil sein, was bedeutet, dass es eine hohe Festigkeit haben sollte, um die Expansions- und Kontraktionsspannungen während Lade- und Entladezyklen zu tolerieren.
• Es muss die Stabilität bei verschiedenen Betriebstemperaturen und -potentialen aufrechterhalten
• Seine Dicke sollte nahe einigen Nanometern liegen

Kontrolle der SEI

Die Stabilisierung und Kontrolle des SEI sind entscheidend für die verbesserte Leistung und den sicheren Betrieb der Zelle. ALD- Beschichtungen (Atomic Layer Deposition) und MLD- Beschichtungen (Molecular Layer Deposition) auf Elektroden steuern das SEI-Wachstum.

Al ₂ O ₃ (ALD-Beschichtung) mit einer Bandlücke von 9,9 eV, beschichtet auf Elektrodenkontrollen und stabilisiert das SEI-Wachstum aufgrund seiner langsamen Elektronentransferrate. Dies verringert die Elektrolytzersetzung und den Li-Ionen-Verbrauch. Auf die gleiche Weise wie Aluminiumalkoxid steuert eine der MLD-Beschichtungen den Aufbau der SEI-Schicht. Diese ALD- und MLD-Beschichtungen reduzieren den Kapazitätsverlust und verbessern die Coulomb-Effizienz.