固体电解质界面是如何提高锂离子电池性能的_技术

近年来，锂离子电池因其在电动汽车、备用电源、手机、笔记本电脑、智能手表和其他便携式电子产品等方面的广泛应用而受到越来越多的关注。随着锂电池需求的增加，锂电池的研究也越来越多。电动汽车性能更佳。降低锂电池性能和寿命的一个重要参数是 固体电解质界面（SEI）的发展，当我们开始使用它时，这是一个在锂电池内部构建的固体层。该固体层的形成阻塞了电解质和电极之间的通道，严重影响了电池的性能。在本文中，我们将详细了解这种固体电解质界面（SEI）、它的特性、它的形成方式，还将讨论如何控制它以提高锂电池的性能和寿命。请注意，有些人也将固体电解质界面称为固体电解质界面（SEI），这两个术语在整体研究论文中可互换使用，因此很难争论哪个是正确的术语。为了这篇文章，我们将坚持固体电解质界面。

锂离子电池：

在深入研究 SEI 之前，让我们先对锂离子电池的基础知识进行一些修改，以便更好地理解这个概念。如果您对电动汽车完全陌生，那么请查看这篇关于电动汽车电池的所有您想知道的文章，以了解电动汽车电池，然后再继续下一步。

锂离子电池由阳极（负极）、阴极（正极）、电解液和隔膜组成。

阳极：石墨、炭黑、钛酸锂（LTO）、硅和石墨烯是一些最优选的阳极材料。最常见的是石墨，涂在用作阳极的铜箔上。石墨的作用是充当锂离子的存储介质。由于石墨具有松散结合的层状结构，因此释放的锂离子可以很容易地在石墨中进行可逆嵌入。

阴极：纯锂在其外壳上具有一个价电子，具有高反应性和不稳定，因此稳定的锂金属氧化物，涂在铝箔上用作阴极。锂金属氧化物，如锂镍锰钴氧化物（“NMC”、LiNixMnyCozO2）、锂镍钴铝氧化物（“NCA”、LiNiCoAlO2）、锂锰氧化物（“LMO”、LiMn2O4）、磷酸铁锂（“LFP”、LiFePO4 ），钴酸锂（LiCoO2，“LCO”）用作阴极。

电解质：负极和正极之间的电解质必须是良好的离子导体和电子绝缘体，这意味着它必须允许锂离子在充电和放电过程中通过它并阻止电子通过。电解质是有机碳酸酯溶剂（例如碳酸亚乙酯或碳酸二乙酯）和锂离子盐（例如六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂（LiClO4）、六氟砷酸锂（LiAsF6）、三氟甲磺酸锂（LiCF3SO3）和锂）的混合物四氟硼酸盐（LiBF4）。

隔膜：隔膜是电解液中的关键部件。它充当阳极和阴极之间的绝缘层，以避免它们之间的短路，同时允许锂离子在充电和放电过程中从阴极到阳极，反之亦然。在锂离子电池中，主要使用聚烯烃作为隔膜。

充放电过程_ _

在充电过程中，当我们将电源连接到电池时，通电的锂原子会在正极提供锂离子和电子。这些锂离子穿过电解质并储存在负极中，而电子则穿过外部电路。在放电过程中，当我们将外部负载连接到电池时，储存在负极中的不稳定锂离子会返回正极处的金属氧化物，电子在负载中循环。这里铝箔和铜箔充当集电器。

SEI形成：

在锂离子电池中，第一次充电时，正极提供的锂离子数量小于第一次放电后返回正极的锂离子数量。这是由于形成了 SEI（固体电解质界面）。在最初的几个充放电循环中，当电解液与电极接触时，在充电过程中伴随锂离子的电解液中的溶剂与电极发生反应并开始分解。这种分解导致形成LiF、Li 2 O、LiCl、Li 2 CO 3化合物。这些成分在电极上沉淀并形成几纳米厚的层，称为固体电解质界面（SEI）。该钝化层保护电极免受腐蚀和电解质的进一步消耗，SEI 的形成分两个阶段进行。

SEI形成的阶段：

SEI 形成的第一阶段发生在锂离子进入阳极之前。在这个阶段，形成不稳定和高电阻的 SEI 层。SEI 层形成的第二阶段与锂离子在阳极上的嵌入同时发生。所得的 SEI 薄膜是多孔的、致密的、异质的、对电子隧穿绝缘和对锂离子导电。一旦 SEI 层形成，它就会阻止电解质通过钝化层移动到电极。因此它控制了电解质和锂离子之间的进一步反应，电极上的电子，从而限制了SEI的进一步生长。

SEI的重要性和影响

SEI 层是电解质中最重要且鲜为人知的成分。虽然SEI层的发现是偶然的，但有效的SEI层对于电池的长寿命、良好的循环能力、高性能、安全性和稳定性至关重要。SEI层的形成是设计电池以获得更好性能的重要考虑因素之一。电极上附着良好的 SEI 通过防止电解质的进一步消耗来保持良好的循环能力。适当调整 SEI 层的孔隙率和厚度可提高锂离子通过它的传导性，从而改善电池运行。

在SEI层的不可逆形成过程中，一定量的电解质和锂离子被永久消耗。因此，在 SEI 形成过程中锂离子的消耗会导致容量的永久性损失。多次重复充放电循环会导致SEI增长，导致电池阻抗增加，温度升高，功率密度变差。

SEI的功能特性

SEI在电池中是不可避免的。但是，如果形成的层符合以下要求，则可以将 SEI 的影响降至最低

它必须阻止电子与电解质的直接接触，因为来自电极的电子与电解质之间的接触会导致电解质的降解和还原。

它必须是良好的离子导体。它应该允许来自电解质的锂离子流向电极

它必须是化学稳定的，这意味着它不能与电解液发生反应，并且应该不溶于电解液

它必须是机械稳定的，这意味着它应该具有高强度以承受充电和放电循环期间的膨胀和收缩应力。

它必须在各种工作温度和电位下保持稳定性

它的厚度应该接近几纳米

SEI的控制

SEI 的稳定和控制对于提高电池的性能和安全运行至关重要。电极上的ALD（原子层沉积）和MLD（分子层沉积）涂层控制 SEI 的生长。

带隙为 9.9 eV 的Al 2 O 3（ALD 涂层）涂覆在电极上，由于其缓慢的电子传输速率，可以控制和稳定 SEI 的生长。这将减少电解质分解和锂离子消耗。与铝醇盐一样，MLD 涂层之一控制 SEI 层的堆积。这些 ALD 和 MLD 涂层减少了容量损失，提高了库仑效率。