- Litij-ionske baterije:
- Polni
- Oblikovanje SEI:
- Pomen in učinki SEI
- Funkcionalne lastnosti SEI
- Nadzor SEI
Dandanes litij-ionske baterije pridobivajo več pozornosti zaradi svoje široke uporabe v električnih vozilih, rezervnih kopijah, mobilnih telefonih, prenosnih računalnikih, pametnih urah in drugi prenosni elektronski opremi itd. Veliko raziskav poteka o litijevih baterijah s povečanim povpraševanjem po električna vozila za veliko boljše zmogljivosti. Pomemben parameter, ki zmanjšuje zmogljivost in življenjsko dobo litijeve baterije, je razvoj trdnega elektrolitskega vmesnika (SEI),to je trdna plast, ki se vgradi v litijevo baterijo, ko jo začnemo uporabljati. Nastanek te trdne plasti blokira prehod med elektrolitom in elektrodami, kar močno vpliva na delovanje baterije. V tem članku bomo izvedeli več o tem trdnem elektrolitskem vmesniku (SEI), njegovih lastnostih, kako nastaja in razpravljali bomo tudi o tem, kako ga nadzirati, da bi povečali zmogljivost in življenjsko dobo litijeve baterije. Upoštevajte, da so nekateri vmesnik Solid Electrolyte Interface imenovali tudi Solid Electrolyte Interphase (SEI - Solid Electrolyte Interphase), oba izraza se uporabljata med seboj kot celota, zato je težko trditi, kateri je pravi izraz. Zaradi tega članka se bomo držali vmesnika s trdnimi elektroliti.
Litij-ionske baterije:
Preden se potopimo globoko v SEI, poglejmo še nekaj osnov Li-ionskih celic, da bomo bolje razumeli koncept. Če ste popolnoma novi pri električnih vozilih, preverite to. Vse, kar želite vedeti o baterijah za električna vozila, da boste bolje razumeli EV baterije, preden nadaljujete.
Litij-ionske baterije so sestavljene iz anode (negativne elektrode), katode (pozitivne elektrode), elektrolita in separatorja.
Anoda: Grafit, saj, litijev titanat (LTO), silicij in grafen so nekateri najbolj priljubljeni anodni materiali. Najpogosteje grafit, prevlečen na bakreni foliji, ki se uporablja kot anoda. Vloga grafita je, da deluje kot medij za shranjevanje litijevih ionov. Reverzibilno interkaliranje sproščenih litijevih ionov je mogoče enostavno narediti v grafitu zaradi ohlapno vezane slojevite strukture.
Katoda: Čisti litij, ki ima na zunanji ovojnici en valacijski elektron, je zelo reaktiven in nestabilen, tako da je stabilen litijev kovinski oksid, prevlečen na aluminijasti foliji, uporabljen kot katoda. Litijevi kovinski oksidi, kot so litijev nikelj mangan kobaltov oksid ("NMC", LiNixMnyCozO2), litijev nikelj kobaltov aluminijev oksid ("NCA", LiNiCoAlO2), litijev manganov oksid ("LMO", LiMn2O4), litijev železov fosfat (LF)), Kot katode se uporabljajo litijev kobaltov oksid (LiCoO2, "LCO").
Elektrolit: Elektrolit med negativno in pozitivno elektrodo mora biti dober ionski vodnik in elektronski izolator, kar pomeni, da mora dopuščati litijeve ione in mora med postopkom polnjenja in praznjenja blokirati elektrone skozi njega. elektrolit je mešanica organskih karbonatnih topil, kot so etilen karbonat ali dietil karbonat in Li-ionske soli, kot so litijev heksafluorofosfat (LiPF6), litijev perklorat (LiClO4), litijev heksafluoroarsenat monohidrat (LiAsF6), litijev triflat3, litijev triflat3 tetrafluoroborata (LiBF4).
Separator: Separator je kritična komponenta elektrolita. Deluje kot izolacijska plast med anodo in katodo, da prepreči kratek stik med njima, hkrati pa omogoča polnjenje litijevih ionov s katode na anodo in obratno med polnjenjem in praznjenjem. V litij-ionskih baterijah se večinoma uporablja poliolefin kot ločilo.
Polni
Med postopkom polnjenja, ko na baterijo priključimo vir energije, energijski litijev atom daje litijeve ione in elektrone na pozitivni elektrodi. Ti Li-ioni prehajajo skozi elektrolit in se shranijo v negativni elektrodi, medtem ko elektroni potujejo skozi zunanji krog. Med postopkom praznjenja, ko na baterijo priključimo zunanjo obremenitev, nestabilni Li-ioni, shranjeni v negativni elektrodi, potujejo nazaj v kovinski oksid na pozitivni elektrodi in elektroni krožijo skozi tovor. Tu delujejo kot zbiralniki toka aluminijaste in bakrene folije.
Oblikovanje SEI:
V litij-ionskih baterijah je za prvo polnjenje količina litij-iona, ki jo daje pozitivna elektroda, manjša od števila litijevih ionov, ki se po prvem praznjenju odpeljejo nazaj na katodo. To je posledica nastanka SEI (vmesnik trdnega elektrolita). V prvih nekaj ciklih polnjenja in praznjenja, ko pride elektrolit v stik z elektrodo, topila v elektrolitu, ki jih med polnjenjem spremljajo litijevi ioni, reagirajo z elektrodo in začnejo razpadati. Rezultat tega razkroja je tvorba spojin LiF, Li 2 O, LiCl, Li 2 CO 3. Te komponente se oborijo na elektrodi in tvorijo nekaj nanometrov debelih slojev, imenovanih trdni elektrolitski vmesnik (SEI) . Ta pasivirajoča plast ščiti elektrodo pred korozijo in nadaljnjo porabo elektrolita, pri čemer nastane SEI v dveh fazah.
Faze oblikovanja SEI:
Prva faza SEI oblikovanju poteka pred vključitvijo litijevih ionov v anodo. Na tej stopnji se tvori nestabilen in zelo uporovni sloj SEI. Druga faza SEI tvorbo sloja zgodi istočasno z interkalacijo litijevih ionov na anodo. Nastali film SEI je porozen, kompakten, heterogen, izolira elektrone v tunelih in prevoden za litijeve ione. Ko se plast SEI oblikuje, se upira gibanju elektrolita skozi pasivirajočo plast do elektrode. Tako da nadzoruje nadaljnjo reakcijo med elektrolitnimi in litijevimi ioni, elektroni na elektrodi in tako omejuje nadaljnjo rast SEI.
Pomen in učinki SEI
Plast SEI je najpomembnejša in manj razumljiva komponenta v elektrolitu. Čeprav je odkritje sloja SEI naključno, je pa učinkovit sloj SEI pomemben za dolgo življenjsko dobo, dobre kolesarske sposobnosti, visoko zmogljivost, varnost in stabilnost baterije. Oblikovanje plasti SEI je eden pomembnih vidikov pri načrtovanju baterij za boljše delovanje. Dobro prilepljen SEI na elektrodah ohranja dobro kolesarsko sposobnost, saj preprečuje nadaljnjo porabo elektrolita. Pravilna nastavitev poroznosti in debeline sloja SEI izboljša prevodnost litijevih ionov skozi to, kar povzroči boljše delovanje akumulatorja.
Med ireverzibilnim tvorjenjem plasti SEI se trajno porabi določena količina elektrolitnih in litijevih ionov. Tako poraba litijevih ionov med tvorbo SEI povzroči trajno izgubo zmogljivosti. S številnimi ponavljajočimi se cikli polnjenja in praznjenja bo prišlo do rasti SEI, kar povzroči povečanje impedance baterij, dvig temperature in slabo gostoto moči.
Funkcionalne lastnosti SEI
SEI se v bateriji ne more izogniti. učinek SEI pa je mogoče minimizirati, če nastala plast upošteva naslednje
- Mora blokira neposreden stik elektronov z elektrolitom zaradi stika med elektroni iz elektrode in degradacije elektrolita vzrokov in zmanjšanje elektrolita.
- To mora biti dober ionski vodnik. Omogočati mora, da litijevi ioni iz elektrolita tečejo na elektrode
- Mora biti kemično stabilna, kar pomeni, da ne more reagirati z elektrolitom in mora biti v elektrolitu netopen
- Biti mora mehansko stabilen, kar pomeni, da mora imeti visoko trdnost, da prenese cikle raztezanja in krčenja med cikli polnjenja in praznjenja.
- Ohraniti mora stabilnost pri različnih delovnih temperaturah in potencialih
- Njegova debelina mora biti blizu nekaj nanometrov
Nadzor SEI
Stabilizacija in nadzor SEI sta ključnega pomena za izboljšano delovanje in varno delovanje celice. ALD (nanos atomske plasti) in MLD (nanos molekularne plasti) na elektrodah nadzorujeta rast SEI.
Al 2 O 3 (ALD prevleka) s pasovnim razmikom 9,9 eV, prevlečenim na elektrodah, in zaradi počasne hitrosti prenosa elektronov stabilizira rast SEI. To bo zmanjšalo razgradnjo elektrolitov in porabo Li-ionov. Enako kot aluminijev alkoksid ena od MLD prevlek nadzoruje kopičenje plasti SEI. Ti premazi ALD in MLD zmanjšajo izgubo zmogljivosti in izboljšajo kulomsko učinkovitost.