Hiểu giao diện điện phân rắn (sei) để cải thiện hiệu suất pin lithium ion

Ngày nay, pin Lithium-ion đang được chú ý nhiều hơn do ứng dụng rộng rãi của chúng trong Xe điện, Điện dự phòng, Điện thoại di động, Máy tính xách tay, đồng hồ thông minh và các mặt hàng điện tử cầm tay khác, v.v. rất nhiều nghiên cứu đang diễn ra về pin lithium với nhu cầu ngày càng tăng về xe điện cho hiệu suất tốt hơn nhiều. Một thông số quan trọng làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin lithium là sự phát triển của giao diện điện phân rắn (SEI),đây là một lớp rắn tích tụ bên trong pin lithium khi chúng ta bắt đầu sử dụng. Sự hình thành của lớp rắn này chặn đường đi giữa chất điện phân và các điện cực ảnh hưởng nặng nề đến hiệu suất của pin. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về giao diện điện phân rắn (SEI) này, các đặc tính của nó, cách nó hình thành và cũng sẽ thảo luận về cách điều khiển nó để tăng hiệu suất và tuổi thọ của Pin Lithium. Lưu ý rằng một số người còn gọi Giao diện điện phân rắn là Giao diện điện phân rắn (SEI), cả hai thuật ngữ này đều được sử dụng thay thế cho các bài nghiên cứu tổng thể và do đó rất khó để tranh luận về thuật ngữ nào là chính xác. Vì lợi ích của bài viết này, chúng tôi sẽ bám vào giao diện chất điện phân rắn.

Pin Lithium-ion:

Trước khi đi sâu vào SEI, chúng ta hãy xem xét lại một chút khái niệm cơ bản về tế bào Li-ion để chúng ta hiểu rõ hơn về khái niệm này. Nếu bạn hoàn toàn mới sử dụng xe điện thì hãy kiểm tra bài viết này Tất cả những gì bạn muốn biết về Pin xe điện để hiểu về pin EV trước khi tiếp tục.

Pin Lithium-ion được tạo thành từ Anode (điện cực âm), cathode (điện cực dương), chất điện phân và bộ phân tách.

Cực dương: Graphit, muội than, liti titanat (LTO), Silicon và graphene là một số vật liệu cực dương được ưa thích nhất. Thông thường nhất là than chì, được phủ trên lá đồng được sử dụng làm cực dương. Vai trò của graphit là hoạt động như một phương tiện lưu trữ các ion liti. Có thể dễ dàng thực hiện xen kẽ đảo ngược các ion liti được giải phóng trong than chì do cấu trúc phân lớp liên kết lỏng lẻo của nó.

Cathode: Lithium nguyên chất có một electron hóa trị ở vỏ ngoài của nó có tính phản ứng cao và không ổn định, do đó, oxit kim loại lithium bền vững, được phủ trên lá nhôm được sử dụng làm catốt. Các oxit kim loại liti như Lithium niken mangan oxit coban ("NMC", LiNixMnyCozO2), Lithium Nickel Cobalt Nhôm Oxit ("NCA", LiNiCoAlO2), Lithium Mangan Oxit ("LMO", LiMn2O4), Lithium Sắt Phosphate ("LFP", LiFePO4), Lithi Coban Oxit (LiCoO2, "LCO") được sử dụng làm cực âm.

Chất điện phân: Chất điện phân giữa điện cực âm và dương phải là chất dẫn điện ion tốt và chất cách điện điện tử có nghĩa là nó phải cho phép các ion liti và phải chặn các điện tử đi qua nó trong quá trình sạc và phóng điện. chất điện phân là hỗn hợp dung môi cacbonat hữu cơ như etylen cacbonat hoặc dietyl cacbonat và muối Li-ion như liti hexafluorophosphat (LiPF6), liti perclorat (LiClO4), liti Hexafluoroarsenat monohydrat (LiAsF6), liti triflat (LiCF3SO3) và liti tetrafluoroborate (LiBF4).

Bộ phân tách: Bộ phân tách là một thành phần quan trọng trong chất điện phân. Nó hoạt động như một lớp cách điện giữa cực dương và cực âm để tránh ngắn mạch giữa chúng đồng thời cho phép các ion liti từ cực âm đến cực dương và ngược lại trong quá trình sạc và xả. Trong pin lithium-ion, hầu hết polyolefin được sử dụng làm chất phân tách.

Charg

Trong quá trình sạc khi chúng ta kết nối một nguồn điện qua pin, nguyên tử Lithium được cung cấp năng lượng, tạo ra các ion Lithium và các electron ở điện cực dương. Các ion Li-ion này đi qua chất điện phân và được lưu trữ trong điện cực âm, trong khi các điện tử di chuyển qua mạch bên ngoài. Trong quá trình phóng điện khi chúng ta nối tải bên ngoài qua pin, các ion Li-ion không ổn định được lưu trữ trong điện cực âm sẽ di chuyển trở lại oxit kim loại ở điện cực dương và các điện tử luân chuyển qua tải. Ở đây các lá nhôm và đồng đóng vai trò là bộ thu dòng.

Sự hình thành SEI:

Trong pin Li-ion, đối với lần sạc đầu tiên, số lượng lithium-ion được cung cấp bởi điện cực dương nhỏ hơn số lượng các ion lithium di chuyển trở lại catốt sau lần phóng điện đầu tiên. Điều này là do sự hình thành của SEI (giao diện chất điện ly rắn). Đối với một vài chu kỳ sạc và phóng điện đầu tiên, khi chất điện phân tiếp xúc với điện cực, dung môi trong chất điện phân đi kèm với các ion lithium trong quá trình sạc sẽ phản ứng với điện cực và bắt đầu phân hủy. Sự phân hủy này dẫn đến sự hình thành các hợp chất LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Các thành phần này kết tủa trên điện cực và tạo thành các lớp dày vài nanomet được gọi là bề mặt điện phân rắn (SEI) . Lớp thụ động này bảo vệ điện cực khỏi sự ăn mòn và tiêu thụ thêm chất điện phân, sự hình thành SEI xảy ra theo hai giai đoạn.

Các giai đoạn hình thành SEI:

Các giai đoạn đầu tiên của sự hình thành SEI diễn ra trước bao gồm lithium ion vào anode. Ở giai đoạn này, lớp SEI không ổn định và có điện trở suất cao hình thành. Các giai đoạn thứ hai của sự hình thành lớp SEI xảy ra đồng thời với việc đan xen của các ion lithium trên anode. Màng SEI tạo thành là xốp, đặc, không đồng nhất, cách điện với đường hầm của các điện tử và dẫn điện cho các ion liti. Khi lớp SEI hình thành, nó sẽ chống lại sự di chuyển của chất điện phân qua lớp thụ động đến điện cực. Vì vậy, nó kiểm soát phản ứng tiếp theo giữa chất điện phân và các ion lithium, các điện tử ở điện cực và do đó hạn chế sự phát triển thêm SEI.

Tầm quan trọng và ảnh hưởng của SEI

Lớp SEI là thành phần quan trọng nhất và ít được hiểu hơn trong chất điện phân. Mặc dù việc phát hiện ra lớp SEI là tình cờ, nhưng lớp SEI hiệu quả rất quan trọng đối với tuổi thọ lâu dài, khả năng đạp xe tốt, hiệu suất cao, an toàn và ổn định của pin. Việc hình thành lớp SEI là một trong những cân nhắc quan trọng trong việc thiết kế pin để có hiệu suất tốt hơn. SEI được kết dính tốt trên các điện cực duy trì khả năng chu kỳ tốt bằng cách ngăn chặn việc tiêu thụ thêm chất điện phân. Việc điều chỉnh độ xốp và độ dày thích hợp của lớp SEI giúp cải thiện độ dẫn điện của các ion lithium qua nó, dẫn đến cải thiện hoạt động của pin.

Trong quá trình hình thành không thể đảo ngược của lớp SEI, một lượng chất điện phân và ion liti nhất định sẽ bị tiêu thụ vĩnh viễn. Do đó, việc tiêu thụ các ion liti trong quá trình hình thành SEI dẫn đến mất công suất vĩnh viễn. Sẽ có sự tăng trưởng SEI với nhiều chu kỳ sạc và xả lặp lại, điều này gây ra sự gia tăng trở kháng của pin, tăng nhiệt độ và mật độ năng lượng kém.

Thuộc tính chức năng của SEI

SEI là không thể tránh khỏi trong pin. tuy nhiên, ảnh hưởng của SEI có thể được giảm thiểu nếu lớp được hình thành tuân thủ các điều sau

• Nó phải ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp của các electron với chất điện phân vì sự tiếp xúc giữa các electron từ các điện cực và chất điện phân gây ra sự suy giảm và khử chất điện ly.
• Nó phải là một chất dẫn ion tốt. Nó sẽ cho phép các ion liti từ chất điện phân chảy đến các điện cực
• Nó phải ổn định về mặt hóa học có nghĩa là nó không thể phản ứng với chất điện ly và không hòa tan trong chất điện ly
• Nó phải ổn định về mặt cơ học, nghĩa là nó phải có độ bền cao để chịu được ứng suất giãn nở và co lại trong các chu kỳ nạp và xả.
• Nó phải duy trì sự ổn định ở các nhiệt độ hoạt động và tiềm năng khác nhau
• Độ dày của nó phải gần vài nanomet

Kiểm soát SEI

Sự ổn định và kiểm soát SEI là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất và hoạt động an toàn của tế bào. Lớp phủ ALD (lắng đọng lớp nguyên tử) và MLD (lắng đọng lớp phân tử) trên các điện cực kiểm soát sự tăng trưởng SEI.

Al ₂ O ₃ (lớp phủ ALD) với dải băng 9,9 eV được phủ trên điện cực điều khiển và ổn định sự tăng trưởng SEI do tốc độ truyền điện tử chậm của nó. Điều này sẽ làm giảm sự phân hủy chất điện phân và tiêu thụ Li-ion. Theo cách tương tự Alkoxit nhôm, một trong những lớp phủ MLD kiểm soát sự hình thành lớp SEI. Các lớp phủ ALD và MLD này làm giảm tổn thất công suất, cải thiện hiệu quả đồng kết hợp.