Lityum iyon pil performansını iyileştirmek için katı elektrolit arayüzünü (sei) anlama

Bu günlerde Lityum-iyon piller, Elektrikli Araçlar, Güç yedeklemeleri, Cep Telefonları, Dizüstü bilgisayarlar, akıllı saatler ve diğer taşınabilir elektronik ürünlerdeki yaygın uygulamaları nedeniyle daha fazla ilgi görüyor. çok daha iyi performans için elektrikli araçlar. Lityum pilin performansını ve ömrünü azaltan önemli bir parametre, katı bir elektrolit arayüzünün (SEI) geliştirilmesidir. Bu, kullanmaya başladığımızda lityum pilin içinde oluşan sağlam bir katmandır. Bu katı katmanın oluşumu, elektrolit ile elektrotlar arasındaki geçişi bloke ederek pilin performansını büyük ölçüde etkiler. Bu makalede, bu Katı elektrolit arayüzü (SEI), özellikleri, nasıl oluştuğu hakkında daha fazla bilgi edinecek ve ayrıca bir Lityum Pilin performansını ve ömrünü artırmak için nasıl kontrol edileceğini tartışacağız. Bazı kişilerin Katı Elektrolit Arabirimini Katı Elektrolit Arabirimi (SEI) olarak da adlandırdıklarını unutmayın , her iki terim de birbirinin yerine genel araştırma makalelerinde kullanılır ve bu nedenle hangisinin doğru terim olduğunu tartışmanın zor olduğunu unutmayın. Bu makalenin iyiliği için katı elektrolit arayüzüne bağlı kalacağız.

Lityum iyon piller:

SEI'nin derinliklerine dalmadan önce, Li-iyon hücrelerin temellerini biraz gözden geçirelim, böylece kavramı daha iyi anlayalım. Elektrikli araçlarda tamamen yeniyseniz, ilerlemeden önce EV pillerini anlamak için bu Elektrikli Araç Pilleri hakkında bilmek istediğiniz her şey makalesine bakın.

Lityum iyon piller Anot (negatif elektrot), katot (pozitif elektrot), elektrolit ve ayırıcıdan oluşur.

Anot: Grafit, karbon siyahı, lityum titanat (LTO), Silikon ve grafen en çok tercih edilen anot malzemelerinden bazılarıdır. Çoğunlukla grafit, anot olarak kullanılan bakır folyo üzerine kaplanmıştır. Grafitin rolü, lityum iyonları için bir depolama ortamı görevi görmektir. Serbest bırakılan lityum iyonlarının tersine çevrilebilir arakatkı, gevşek bağlı katmanlı yapısı nedeniyle grafitte kolaylıkla yapılabilir.

Katot: Dış kabuğunda bir değerlik elektrona sahip olan saf Lityum, son derece reaktif ve kararsızdır, bu nedenle, katot olarak kullanılan alüminyum folyo üzerine kaplanmış stabil lityum metal oksit. Lityum nikel manganez kobalt oksit ("NMC", LiNixMnyCozO2), Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit ("NCA", LiNiCoAlO2), Lityum Mangan Oksit ("LMO", LiMn2O4), Lityum Demir Fosfat ("LFP4", LiFePO4) gibi lityum metal oksitler), Lityum Kobalt Oksit (LiCoO2, "LCO") katot olarak kullanılır.

Elektrolit: Negatif ve pozitif elektrotlar arasındaki elektrolit, iyi bir iyonik iletken ve lityum iyonlarına izin vermesi gerektiği ve şarj ve deşarj işlemi sırasında elektronları buradan bloke etmesi gerektiği anlamına gelen elektronik bir yalıtkan olmalıdır. bir elektrolit, etilen karbonat veya dietil karbonat gibi organik karbonat çözücülerin ve lityum heksaflorofosfat (LiPF6), lityum perklorat (LiClO4), lityum Heksaflorosenat monohidrat (LiAsF6), lityum triflat (LiCF3SO3) gibi Li-iyon tuzlarının bir karışımıdır tetrafloroborat (LiBF4).

Ayırıcı: Ayırıcı, elektrolit içindeki kritik bir bileşendir. Şarj ve deşarj sırasında lityum iyonlarının katottan anoda ve tam tersi olmasına izin verirken, aralarındaki kısa devreyi önlemek için anot ve katot arasında bir yalıtım katmanı görevi görür. Lityum iyon pillerde ayırıcı olarak çoğunlukla poliolefin kullanılır.

Ücret

Şarj işlemi sırasında pilin karşısına bir güç kaynağı bağladığımızda, enerjili Lityum atomu, pozitif elektrotta Lityum iyonları ve elektronlar verir. Bu Li-iyonlar elektrolitten geçer ve negatif elektrotta depolanırken, elektronlar harici devreden geçerler. Deşarj işlemi sırasında, harici yükü bataryaya bağladığımızda, negatif elektrotta depolanan kararsız Li-iyonlar pozitif elektrotta metal okside geri döner ve elektronlar yükte dolaşır. Burada alüminyum ve bakır folyolar akım toplayıcı görevi görür.

SEI oluşumu:

Li-ion pillerde, ilk şarj için, pozitif elektrot tarafından verilen lityum iyon miktarı, ilk boşaltmadan sonra katoda geri gönderilen lityum iyonlarının sayısından azdır. Bunun nedeni SEI (katı elektrolit arabirimi) oluşumudur. İlk birkaç şarj ve deşarj döngüsü için, elektrolit elektrot ile temas ettiğinde, şarj sırasında lityum iyonlarının eşlik ettiği bir elektrolit içindeki çözücüler elektrotla reaksiyona girer ve ayrışmaya başlar. Bu ayrışma LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃ bileşiklerinin oluşmasına neden olur. Bu bileşenler elektrot üzerinde çökelir ve katı elektrolit arayüzü (SEI) adı verilen birkaç nanometre kalınlığında katman oluşturur . Bu pasifleştirici tabaka elektrodu korozyondan ve daha fazla elektrolit tüketiminden korur, SEI oluşumu iki aşamada gerçekleşir.

SEI Oluşumunun Aşamaları:

SEI ilk oluşum aşamasında anot içine lityum iyonlarının dahil önce gerçekleşir. Bu aşamada kararsız ve oldukça dirençli SEI tabakası oluşur. SEI tabaka formasyonunun ikinci aşama anot üzerindeki lityum iyonu interkalasyon ile eş zamanlı olarak meydana gelir. Ortaya çıkan SEI filmi, gözenekli, kompakt, heterojendir, elektron tünellemesine karşı yalıtkan ve lityum iyonları için iletkendir. SEI tabakası oluştuğunda, pasifleştirici tabakadan elektroda elektrolit hareketine direnir. Böylece elektrolit ve lityum iyonları, elektrottaki elektronlar arasındaki diğer reaksiyonu kontrol eder ve böylece daha fazla SEI büyümesini sınırlar.

SEI'nin Önemi ve Etkileri

SEI tabakası, elektrolitteki en önemli ve az anlaşılan bileşendir. SEI katmanının keşfi tesadüfi olsa da, bir pilin uzun ömrü, iyi döngü yeteneği, yüksek performansı, güvenliği ve kararlılığı için etkili bir SEI katmanı önemlidir. SEI katmanının oluşumu, daha iyi performans için pillerin tasarımında önemli hususlardan biridir. Elektrotlara iyi yapışan SEI, elektrolitin daha fazla tüketilmesini önleyerek iyi döngü kabiliyetini korur. SEI tabakasının gözenekliliğinin ve kalınlığının uygun şekilde ayarlanması, içinden lityum iyonlarının iletkenliğini geliştirir ve pilin daha iyi çalışmasını sağlar.

Geri dönüşümsüz SEI tabakası oluşumu sırasında, belirli bir miktar elektrolit ve lityum iyonu kalıcı olarak tüketilir. Dolayısıyla, SEI oluşumu sırasında lityum iyonlarının tüketimi kalıcı bir kapasite kaybına neden olur. Pil empedansında artışa, sıcaklık artışına ve zayıf güç yoğunluğuna neden olan birçok tekrarlanan şarj ve deşarj döngüsüyle birlikte SEI büyümesi olacaktır.

SEI'nin Fonksiyonel Özellikleri

Bir bataryada SEI kaçınılmazdır. Bununla birlikte, oluşturulan katman aşağıdakilere yapışırsa SEI'nin etkisi en aza indirilebilir.

• Bu zorundadır elektrotlu elektron doğrudan temas engellemek için elektrotlardan elektron ve elektrolit nedenleri bozulması ve elektrolit azaltılması arasındaki temas.
• İyi bir iyonik iletken olmalı. Bir elektrolitten gelen lityum iyonlarının elektrotlara akmasına izin vermelidir.
• Bu olmak zorunda kimyasal olarak stabil vasıtaların elektrolit ile tepkimeye girmeyen ve elektrolit içinde çözünmez olmalıdır
• Bu olmak zorunda mekanik stabil şarj ve deşarj döngüsünden sırasında genleşme ve büzülme gerilimleri tolere yüksek mukavemete sahip olmaları anlamına gelir.
• Çeşitli çalışma sıcaklıklarında ve potansiyellerde stabiliteyi korumalıdır.
• Kalınlığı birkaç nanometreye yakın olmalıdır

SEI'nin Kontrolü

SEI'nin stabilizasyonu ve kontrolü, hücrenin geliştirilmiş performansı ve güvenli çalışması için çok önemlidir. Elektrotlar üzerindeki ALD (atomik katman biriktirme) ve MLD (Moleküler katman biriktirme) kaplamaları, SEI büyümesini kontrol eder.

Elektrot kontrolleri üzerine kaplanmış 9,9 eV bant aralığı ile Al ₂ O ₃ (ALD kaplama) ve yavaş elektron transfer hızı nedeniyle SEI büyümesini stabilize eder. Bu, elektrolit ayrışmasını ve Li-iyon tüketimini azaltacaktır. Aynı şekilde, MLD kaplamalarından biri olan Alüminyum alkoksit, SEI tabakası oluşumunu kontrol eder. Bu ALD ve MLD kaplamalar kapasite kaybını azaltır, kulombik verimliliği artırır.