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了解固体电解质界面(SEI)以改善锂离子电池性能

   日期:2019-11-07     浏览:0    
核心提示:因为锂离子电池在电动汽车,后备电源,手机,笔记本电脑,智能手表和其它便携式电子制造品等范畴的遍及使用,近来锂离子电池受

       因为锂离子电池在电动汽车,后备电源,手机,笔记本电脑,智能手表和其它便携式电子制造品等范畴的遍及使用,近来锂离子电池受到越来越多的存眷。电动汽车以获得更好的坚守。消沉锂电池效用与寿命的一个需求参数是  固体电解质界面(SEI)的发展,当我们起源使用锂电池时,这是一层平稳的固体层。该固体层的形成劝止了电解质和电极之间的通道,严重影响了电池的遵命。在本文中,咱们将理解有关此固体电解质界面(SEI),其素质,若何形成的更多信息,还将寻觅如何管教它以增加锂电池的坚守和寿命请留心,有些人也将固体电解质界面称为固体电解质界面相(SEI),这两个术语在整个研究论文中均梗概交换使用,于是很难注定哪一个是正确的术语。为了本文的指标,咱们将坚持使用固体电解质界面。

锂离子电池:

在粗浅领略SEI曩昔,让我们对锂离子电池的根柢知识发展一些修正,以便咱们更好天文解该观点。假定您是电动汽车的老手,请在持续操纵此前搜检一下“ 全数您想懂得的无关电动汽车电池的知识 ”以懂得EV电池。

锂离子电池由阳极(负极),阴极(正极),电解质和隔板组成

阳极:石墨,炭黑,钛酸锂(LTO),硅和石墨烯是一些最优选的阳极原料。最多见的是石墨,涂在用作阳极的铜箔上。石墨的感化是充当锂离子的存储介质。截留的锂离子可逆地插入在石墨中很简单实现,因为它的层结构涣散。

 

 

阴极:在外壳上具有一个价电子的纯锂具备很高的反馈性和不不乱性,于是,执着的锂金属氧化物涂覆在用作阴极的铝箔上。锂金属侵蚀物,比方锂镍锰钴腐蚀物(“ NMC”,LiNixMnyCozO2),锂镍钴铝腐蚀物(“ NCA”,LiNiCoAlO2),锂锰氧化物(“ LMO”,LiMn2O4),磷酸铁锂(“ LFP”,FeFe) ),腐蚀锂钴(LiCoO2,“ LCO”)用作阴极。


电解质:负电极和正电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并且必须在充电和放电过程中阻止电子通过。电解质是有机碳酸盐溶剂(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),六氟砷酸锂一水合物(LiAsF6),三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)和锂的混合物四氟硼酸盐(LiBF4)。

 

 

隔板:隔板是电解液中的关键成分。它充当阳极和阴极之间的绝缘层,以避免它们之间的短路,同时在充电和放电过程中允许锂离子从阴极到阳极,反之亦然。在锂离子电池中,大多数聚烯烃被用作隔板。



 

电解质:负电极和正电极之间的电解质必须是良好的离子导体与电子绝缘体,这意味着它必需容许锂离子而且必须在充电与放电进程中阻止电子经由。电解质是有机碳酸盐溶剂(好比碳酸亚乙酯或碳酸二乙酯)和锂离子盐(譬如六氟磷酸锂(LiPF6),高氯酸锂(LiClO4),六氟砷酸锂一水合物(LiAsF6),三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)与锂的混合物四氟硼酸盐(LiBF4)。

 

 

隔板:隔板是电解液中的环节因素。它充任阳极和阴极之间的绝缘层,省得它们之间的短路,同时在充电和放电历程中允许锂离子从阴极到阳极,反之亦然。在锂离子电池中,大少数聚烯烃被用作隔板。


在充电进程中,当咱们跨电池连接电源时,通电的锂原子可在正极上孕育发生锂离子和电子。这些锂离子穿过电解质并被存储在负极中,而电子则穿过内部电路。在放电进程中,当我们将外部负载联接到整个电池时,存储在负极中的不坚定锂离子会返回到正极的金属侵蚀物,何况电子会颠末负载循环。在此,铝箔和铜箔充当集电器。


SEI的需要性和影响                                                       

在锂离子电池中,对付第一次充电,由正极供给的锂离子量小于在第一次放电后前往阴极的锂离子的数目这是由于构成了SEI(固体电解质界面)。对于最初的几个充电和放电轮回,当电解质与电极接触时,电解质中的溶剂在充电历程中陪同锂离子与电极反馈并开始分解。这种分化招致形成LiF,Li 2 O,LiCl,Li 2 CO 3化合物。这些要素沉淀在电极上并造成称为固体电解质界面(SEI)的几纳米厚的层 该钝化层珍爱电极免受氧化与电解质的进一步耗损,SEI的形要素两个阶段进行。

 

SEI构成的阶段:

SEI构成第一阶段发生发火在锂离子包罗在阳极中畴前。在此阶段,构成不坚决且高电阻的SEI层。SEI层形成第二阶段与锂离子在阳极上的嵌入同时孕育发生。所得的SEI膜是多孔的,致密的,非均质的,对电子隧穿绝缘而且对锂离子存在导电性。一旦构成SEI层,它就会阻止电解质经由钝化层达到电极。于是,它牵制了电解质与锂离子,电极上的电子之间的进一步反应,从而限度了SEI的进一步增长。

 

SEI层是电解质中最需要与最鲜为人知的因素。只管发明SEI层是有时的,然而有效的SEI层对付电池长命命,良好的循环本事,高性能,保险性和稳定性相当须要SEI层的造成是规划电池以失去更好性能的重要考虑因素之一电极上粘附良好的SEI经由过程防止电解质的进一步泯灭坚持良好的循环手段。适当斡旋SEI层的孔隙率与厚度可改良经由它的锂离子电导率,从而改进电池利用。

在不行逆的SEI层形成进程中,不一定量的电解质和锂离子会永远耗费。于是,在SEI组成历程中损耗锂离子会导致容量永久遗失随着许多反复的充电和放电循环,SEI会增长,这会招致电池阻抗增进,温度举高以及功率密度低落。

 

SEI的功能赋性

SEI在电池中不行防备。然而,若是造成的层粘附不才面,则SEI的影响概略最小化

  • 它必需阻止电子与电解质的直接征战,由于来自电极的电子与电解质之间的交兵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准许电解质中的锂离子流向电极
  • 它必需是化学坚强的,这意味着它不能与电解质反应而且应该不溶于电解质
  • 它必需是机械强项的  ,这意味着它理应具有较高的强度,以接受充放电轮回期间的膨胀与紧缩应力。
  • 它必需在种种工作温度和电势下坚持坚强性
  • 它的厚度该当濒临几纳米

 

SEI的牵制

SEI的摇动与管教对付改进电池的性能与平安操纵至关必要。电极上的ALD(原子层聚积)MLD(分子层聚积)涂层管制SEI的成长。

 

由于电子传输速率慢,在电极上涂覆了9.9 eV带隙的Al 2 O 3(ALD涂层)牵制并强项了SEI的生长。这将削减电解质分解和锂离子花销。以相同的法子,铝的醇盐(一种MLD涂层)管教SEI层的堆积。这些ALD和MLD涂层可削减容量损失,行进库仑遵命。

 
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