Conèixer la interfície d’electròlits sòlids (sei) per millorar el rendiment de la bateria de ions de liti

Actualment, les bateries de ions de liti estan guanyant més atenció a causa de la seva àmplia aplicació en vehicles elèctrics, còpies de seguretat elèctriques, mòbils, ordinadors portàtils, rellotges intel·ligents i altres productes electrònics portàtils, etc. vehicles elèctrics per a un rendiment molt millor. Un paràmetre important que disminueix el rendiment i la vida útil de la bateria de liti és el desenvolupament d’una interfície d’electròlits sòlids (SEI),es tracta d’una capa sòlida que es construeix a l’interior de la bateria de liti a mesura que comencem a utilitzar-la. La formació d’aquesta capa sòlida bloqueja el pas entre l’electròlit i els elèctrodes que afecta molt el rendiment de la bateria. En aquest article, aprendrem més sobre aquesta interfície d’electròlits sòlids (SEI), les seves propietats, com es forma i també discutirem com controlar-la per augmentar el rendiment i la vida útil d’una bateria de liti. Tingueu en compte que algunes persones també anomenen Interfície d’ electròlits sòlids com a Interfase d’ electròlits sòlids (SEI), ambdós termes s’utilitzen indistintament en treballs de recerca generals i, per tant, és difícil discutir quin és el terme correcte. En nom d’aquest article, ens adherirem a la interfície d’electròlits sòlids.

Bateries de ions de liti:

Abans d’endinsar-nos en el SEI, revisem una mica els conceptes bàsics de les cèl·lules d’ions Li per entendre millor el concepte. Si sou completament nou en els vehicles elèctrics, consulteu aquest article Tot el que voleu saber sobre les bateries de vehicles elèctrics per entendre les bateries EV abans de continuar.

Les bateries de ions de liti estan formades per ànode (elèctrode negatiu), càtode (elèctrode positiu), electròlit i separador.

Ànode: el grafit, el negre de fum, el titanat de liti (LTO), el silici i el grafè són alguns dels materials d'ànode més preferits. El més freqüent és el grafit, recobert de paper de coure utilitzat com a ànode. El paper del grafit és actuar com a mitjà d’emmagatzematge dels ions de liti. La intercalació reversible dels ions de liti alliberats es pot fer fàcilment al grafit a causa de la seva estructura en capes poc lligada.

Càtode: el liti pur amb un electró de protecció a la capa exterior és altament reactiu i inestable, de manera que l’òxid de metall de liti estable, recobert amb paper d’alumini utilitzat com a càtode. Idesxids metàl·lics de liti com òxid de liti níquel-manganès cobalt ("NMC", LiNixMnyCozO2), òxid d'alumini de liti níquel-cobalt ("NCA", LiNiCoAlO2), òxid de manganès de liti ("LMO", LiMn2O4), fosfat de ferro de liti ("LF), L’òxid de liti i cobalt (LiCoO2, "LCO") s’utilitzen com a càtodes.

Electròlit: l’ electròlit entre els elèctrodes negatius i positius ha de ser un bon conductor iònic i un aïllant electrònic que significa que ha de permetre els ions de liti i ha de bloquejar els electrons a través d’ell durant el procés de càrrega i descàrrega. un electròlit és una barreja de dissolvents de carbonat orgànic com carbonat d’etilè o carbonat de dietil i sals de ions de Li com hexafluorofosfat de liti (LiPF6), perclorat de liti (LiClO4), Hexafluoroarsenat de liti monohidrat (LiAsF6), triflat de liti (LiCF3SO3), tetrafluoroborat (LiBF4).

Separador: el separador és un component crític de l’electròlit. Actua com a capa aïllant entre ànode i càtode per evitar el curtcircuit entre ells, alhora que permet els ions de liti del càtode a l’ànode i viceversa durant la càrrega i descàrrega. En les bateries de ions de liti s’utilitza principalment poliolefina com a separador.

Càrrega

Durant el procés de càrrega, quan connectem una font d’energia a la bateria, l’àtom de liti amb energia, proporciona ions i electrons de liti a l’elèctrode positiu. Aquests ions Li passen per l'electròlit i s'emmagatzemen a l'elèctrode negatiu, mentre els electrons viatgen a través del circuit extern. Durant el procés de descàrrega quan connectem càrrega externa a la bateria, els ions Li inestables emmagatzemats en elèctrodes negatius viatgen cap a l’òxid metàl·lic a l’elèctrode positiu i els electrons circulen per la càrrega. Aquí les làmines d'alumini i coure actuen com a col·lectors de corrent.

Formació SEI:

En les bateries de ions de Li, per a la primera càrrega, la quantitat d’ions de liti donada per l’elèctrode positiu és inferior al nombre d’ions de liti viatjat de tornada al càtode després de la primera descàrrega. Això es deu a la formació de SEI (interfície electròlita sòlida). Durant els primers cicles de càrrega i descàrrega, quan l’electròlit entra en contacte amb l’elèctrode, els dissolvents d’un electròlit que s’acompanyen dels ions de liti durant la càrrega reaccionen amb l’elèctrode i comencen a descompondre’s. Aquesta descomposició dóna lloc a la formació de compostos de LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Aquests components precipiten sobre l'elèctrode i formen unes capes de gruix nanomètric anomenades interfície sòlida d'electròlits (SEI) . Aquesta capa passivadora protegeix l'elèctrode de la corrosió i el consum d'electròlit, la formació de SEI es produeix en dues etapes.

Etapes de la formació SEI:

La primera etapa de la formació de SEI té lloc abans de la inclusió d’ions de liti a l’ànode. En aquesta etapa, es forma una capa SEI inestable i altament resistiva. La segona etapa de formació de la capa SEI passa simultàniament amb la intercalació d’ions de liti a l’ànode. La pel·lícula SEI resultant és porosa, compacta, heterogènia, aïllant als túnels d’electrons i conductora dels ions de liti. Un cop es forma la capa SEI, resisteix el moviment de l’electròlit a través de la capa passivant fins a l’elèctrode. De manera que controla la reacció addicional entre electròlits i ions de liti, electrons a l'elèctrode i, per tant, restringeix el creixement del SEI.

Importància i efectes de la SEI

La capa SEI és el component més important i menys entès de l’electròlit. Tot i que el descobriment de la capa SEI és accidental, però una capa SEI eficaç és important per a la llarga vida, la bona capacitat de ciclisme, l’alt rendiment, la seguretat i l’estabilitat d’una bateria. La formació de la capa SEI és una de les consideracions importants en el disseny de bateries per obtenir un millor rendiment. Un SEI ben adherit en els elèctrodes manté una bona capacitat de ciclisme evitant el consum posterior de l'electròlit. L'ajust adequat de la porositat i el gruix de la capa SEI millora la conductivitat dels ions de liti a través d'ella, donant lloc a un funcionament millorat de la bateria.

Durant la formació irreversible de la capa SEI, es consumeix permanentment una certa quantitat d’ions electròlits i liti. Així, el consum d’ions de liti durant la formació de SEI provoca una pèrdua permanent de capacitat. Hi haurà un creixement SEI amb les nombroses càrregues i cicles de descàrrega repetits, cosa que provoca l’increment de la impedància de la bateria, l’augment de temperatura i la pobra densitat de potència.

Propietats funcionals de SEI

SEI és inevitable en una bateria. no obstant això, l'efecte de SEI es pot minimitzar si la capa formada s'adhereix al següent

• Ha de bloquejar el contacte directe dels electrons amb l’electròlit perquè el contacte entre electrons dels elèctrodes i l’electròlit provoca la degradació i la reducció de l’electròlit.
• Ha de ser un bon conductor iònic. Ha de permetre que els ions de liti d’un electròlit flueixin cap als elèctrodes
• Ha de ser químicament estable, de manera que no pot reaccionar amb l'electròlit i ha de ser insoluble en l'electròlit
• Ha de ser estable mecànicament, de manera que ha de tenir una força elevada per tolerar les tensions de dilatació i contracció durant els cicles de càrrega i descàrrega.
• Ha de mantenir l'estabilitat a diverses temperatures i potencials de funcionament
• El seu gruix hauria de ser prop d’uns quants nanòmetres

Control de SEI

L’estabilització i el control de la SEI són fonamentals per millorar el rendiment i el funcionament segur de la cèl·lula. Els recobriments ALD (deposició de capa atòmica) i MLD (deposició de capa molecular) en elèctrodes controlen el creixement del SEI.

Al ₂ O ₃ (recobriment ALD) amb una banda de 9,9 eV recoberta en controls d’elèctrodes i estabilitza el creixement de SEI a causa de la seva velocitat de transferència d’electrons lenta. Això reduirà la descomposició d’electròlits i el consum d’ions de Li. De la mateixa manera, l’alcòxid d’alumini, un dels recobriments MLD controla l’acumulació de la capa SEI. Aquests recobriments ALD i MLD redueixen la pèrdua de capacitat, milloren l'eficiència coulombic.