Comprensione dell'interfaccia elettrolita solido (sei) per migliorare le prestazioni della batteria agli ioni di litio

In questi giorni le batterie agli ioni di litio stanno guadagnando maggiore attenzione a causa della loro diffusa applicazione in veicoli elettrici, backup di alimentazione, cellulari, laptop, smartwatch e altri prodotti elettronici portatili, ecc. Molte ricerche sono in corso sulle batterie al litio con l'aumento della domanda veicoli elettrici per prestazioni molto migliori. Un parametro importante che riduce le prestazioni e la durata della batteria al litio è lo sviluppo di un'interfaccia a elettrolita solido (SEI),questo è uno strato solido che si forma all'interno della batteria al litio quando iniziamo a usarla. La formazione di questo strato solido blocca il passaggio tra l'elettrolita e gli elettrodi influendo pesantemente sulle prestazioni della batteria. In questo articolo, impareremo di più su questa interfaccia SEI (Solid electrolyte interface), le sue proprietà, come si forma e discuteremo anche come controllarla per aumentare le prestazioni e la durata di una batteria al litio. Si noti che alcune persone chiamano anche Solid Electrolyte Interface come Solid Electrolyte Interphase (SEI), entrambi i termini sono usati in modo intercambiabile documenti di ricerca generali e quindi è difficile discutere su quale sia il termine corretto. Per il bene di questo articolo, ci atterremo alla solida interfaccia dell'elettrolita.

Batterie agli ioni di litio:

Prima di immergerci in profondità nel SEI, rivediamo un po 'le basi delle celle agli ioni di litio in modo da comprendere meglio il concetto. Se sei completamente nuovo ai veicoli elettrici, controlla questo articolo Tutto quello che vuoi sapere sulle batterie per veicoli elettrici per capire le batterie dei veicoli elettrici prima di procedere oltre.

Le batterie agli ioni di litio sono costituite da anodo (elettrodo negativo), catodo (elettrodo positivo), elettrolita e separatore.

Anodo: grafite, nerofumo, titanato di litio (LTO), silicio e grafene sono alcuni dei materiali anodici preferiti. Più comunemente grafite, rivestita su un foglio di rame utilizzato come anodo. Il ruolo della grafite è quello di fungere da supporto di memorizzazione per gli ioni di litio. L'intercalazione reversibile degli ioni di litio liberati può essere facilmente eseguita nella grafite grazie alla sua struttura a strati leggermente legata.

Catodo: il litio puro con un elettrone di valance sul suo guscio esterno è altamente reattivo e instabile, quindi l'ossido di litio metallico stabile, rivestito su un foglio di alluminio, viene utilizzato come catodo. Ossidi di litio metallico come ossido di litio nichel manganese cobalto ("NMC", LiNixMnyCozO2), ossido di litio nichel cobalto alluminio ("NCA", LiNiCoAlO2), ossido di litio manganese ("LMO", LiMn2O4), litio ferro fosfato ("LFP", LiFePO4), L'ossido di litio cobalto (LiCoO2, "LCO") sono usati come catodi.

Elettrolita: L' elettrolita tra gli elettrodi negativo e positivo deve essere un buon conduttore ionico e un isolante elettronico, il che significa che deve consentire gli ioni di litio e deve bloccare gli elettroni attraverso di esso durante il processo di carica e scarica. un elettrolita è una miscela di solventi di carbonato organico come carbonato di etilene o carbonato di dietile e sali di ioni di litio come esafluorofosfato di litio (LiPF6), perclorato di litio (LiClO4), esafluoroarsenato di litio monoidrato (LiAsF6), litio trifilato (LiCF3SO3) e litio tetrafluoroborato (LiBF4).

Separatore: il separatore è un componente critico nell'elettrolita. Agisce come uno strato isolante tra anodo e catodo per evitare il cortocircuito tra di loro mentre consente agli ioni di litio dal catodo all'anodo e viceversa durante la carica e la scarica. Nelle batterie agli ioni di litio viene utilizzata principalmente poliolefina come separatore.

Charg

Durante il processo di ricarica, quando colleghiamo una fonte di alimentazione attraverso la batteria, l'atomo di litio eccitato fornisce ioni di litio ed elettroni all'elettrodo positivo. Questi ioni di litio passano attraverso l'elettrolita e vengono immagazzinati nell'elettrodo negativo, mentre gli elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno. Durante il processo di scarica quando colleghiamo un carico esterno attraverso la batteria, gli ioni di litio instabili immagazzinati nell'elettrodo negativo ritornano all'ossido di metallo sull'elettrodo positivo e gli elettroni circolano attraverso il carico. Qui i fogli di alluminio e rame fungono da collettori di corrente.

Formazione SEI:

Nelle batterie agli ioni di litio, per la prima carica, la quantità di ioni di litio fornita dall'elettrodo positivo è inferiore al numero di ioni di litio ritornati al catodo dopo la prima scarica. Ciò è dovuto alla formazione di SEI (interfaccia elettrolitica solida). Per i primi cicli di carica e scarica, quando l'elettrolita entra in contatto con l'elettrodo, i solventi in un elettrolita che sono accompagnati dagli ioni di litio durante la carica reagiscono con l'elettrodo e iniziano a decomporsi. Questa decomposizione porta alla formazione di composti LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Questi componenti precipitano sull'elettrodo e formano strati spessi pochi nanometri chiamati SEI (Solid Electrolyte Interface) . Questo strato di passivazione protegge l'elettrodo dalla corrosione e dall'ulteriore consumo di elettrolita, la formazione di SEI avviene in due fasi.

Fasi della formazione SEI:

La prima fase della formazione della SEI avviene prima dell'inclusione degli ioni di litio nell'anodo. In questa fase, si forma uno strato SEI instabile e altamente resistivo. Il secondo stadio della formazione dello strato SEI avviene contemporaneamente all'intercalazione degli ioni di litio sull'anodo. Il film SEI risultante è poroso, compatto, eterogeneo, isolante per il tunneling degli elettroni e conduttivo per gli ioni di litio. Una volta che lo strato SEI si forma, resiste al movimento dell'elettrolita attraverso lo strato di passivazione verso l'elettrodo. In modo che controlli l'ulteriore reazione tra elettrolita e ioni di litio, elettroni all'elettrodo e quindi limiti l'ulteriore crescita SEI.

Importanza ed effetti della SEI

Lo strato SEI è il componente più importante e meno compreso dell'elettrolita. Sebbene la scoperta dello strato SEI sia accidentale, uno strato SEI efficace è importante per la lunga durata, la buona capacità di ciclaggio, le alte prestazioni, la sicurezza e la stabilità di una batteria. La formazione dello strato SEI è una delle considerazioni importanti nella progettazione di batterie per prestazioni migliori. SEI ben aderito sugli elettrodi mantiene una buona capacità di ciclaggio prevenendo un ulteriore consumo dell'elettrolita. La corretta regolazione della porosità e dello spessore dello strato SEI migliora la conduttività degli ioni di litio attraverso di esso, si traduce in un migliore funzionamento della batteria.

Durante la formazione irreversibile dello strato SEI, una certa quantità di elettrolita e ioni di litio viene consumata in modo permanente. Pertanto il consumo di ioni litio durante la formazione di SEI si traduce in una perdita permanente di capacità. Ci sarà una crescita SEI con le numerose cariche ripetute e cicli di scarica, che causano l'aumento dell'impedenza della batteria, l'aumento della temperatura e la scarsa densità di potenza.

Proprietà funzionali di SEI

SEI è inevitabile in una batteria. tuttavia, l'effetto di SEI può essere minimizzato se lo strato formato aderisce a quanto segue

• Deve bloccare il contatto diretto degli elettroni con l'elettrolita perché il contatto tra gli elettroni degli elettrodi e l'elettrolita causa la degradazione e la riduzione dell'elettrolita.
• Deve essere un buon conduttore ionico. Dovrebbe consentire agli ioni di litio di un elettrolita di fluire verso gli elettrodi
• Deve essere chimicamente stabile, il che significa che non può reagire con l'elettrolita e dovrebbe essere insolubile nell'elettrolita
• Deve essere meccanicamente stabile, il che significa che dovrebbe avere un'elevata resistenza per tollerare le sollecitazioni di espansione e contrazione durante i cicli di carica e scarica.
• Deve mantenere la stabilità a varie temperature e potenziali di esercizio
• Il suo spessore dovrebbe essere vicino a pochi nanometri

Controllo di SEI

La stabilizzazione e il controllo del SEI sono fondamentali per il miglioramento delle prestazioni e il funzionamento sicuro della cella. I rivestimenti ALD (atomic layer deposition) e MLD (molecular layer deposition) sugli elettrodi controllano la crescita SEI.

Al ₂ O ₃ (rivestimento ALD) con il bandgap di 9,9 eV rivestito sui controlli dell'elettrodo e stabilizza la crescita SEI grazie alla sua lenta velocità di trasferimento degli elettroni. Ciò ridurrà la decomposizione dell'elettrolito e il consumo di ioni di litio. Allo stesso modo l'alcossido di alluminio, uno dei rivestimenti MLD, controlla la formazione dello strato SEI. Questi rivestimenti ALD e MLD riducono la perdita di capacità, migliorano l'efficienza coulombica.