- แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน:
- ชาร์ก
- การก่อตัวของ SEI:
- ความสำคัญและผลกระทบของ SEI
- คุณสมบัติการทำงานของ SEI
- การควบคุม SEI
ทุกวันนี้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับความสนใจมากขึ้นเนื่องจากมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในยานยนต์ไฟฟ้าสำรองไฟฟ้าโทรศัพท์มือถือแล็ปท็อปสมาร์ทวอทช์และสินค้าอิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาอื่น ๆ งานวิจัยจำนวนมากเกิดขึ้นกับแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีความต้องการเพิ่มขึ้น ยานยนต์ไฟฟ้าเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้นมาก พารามิเตอร์ที่สำคัญอย่างหนึ่งที่ลดประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมคือการพัฒนาอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์ที่เป็น ของแข็ง (SEI)นี่คือชั้นแข็งที่สร้างขึ้นภายในแบตเตอรี่ลิเธียมเมื่อเราเริ่มใช้งาน การก่อตัวของชั้นของแข็งนี้ขัดขวางทางเดินระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดที่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้อินเตอร์เฟซโซลิดอิเล็กโทรไล (SEI) คุณสมบัติของวิธีการรูปแบบและยังจะหารือถึงวิธีการที่จะควบคุมมันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมโปรดทราบว่าบางคนเรียก Solid Electrolyte Interface ว่าSolid Electrolyte Interphase (SEI)ทั้งสองคำนี้ใช้ในเอกสารการวิจัยโดยรวมแทนกันได้ดังนั้นจึงยากที่จะโต้แย้งว่าคำใดเป็นคำที่ถูกต้อง เพื่อประโยชน์ของบทความนี้เราจะยึดติดกับอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน:
ก่อนที่เราจะดำดิ่งลงไปใน SEI เรามาทบทวนพื้นฐานของเซลล์ Li-ion กันเล็กน้อยเพื่อให้เราเข้าใจแนวคิดนี้ได้ดีขึ้น หากคุณยังใหม่กับรถยนต์ไฟฟ้าให้ตรวจสอบสิ่งที่คุณต้องการรู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับแบตเตอรี่ EV ก่อนดำเนินการต่อ
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ทำขึ้นจากแอโนด (ขั้วลบ) แคโทด (ขั้วบวก), อิเล็กโทรไลและคั่น
แอโนด:กราไฟท์คาร์บอนแบล็กลิเธียมไททาเนต (LTO) ซิลิคอนและกราฟีนเป็นวัสดุแอโนดที่ต้องการมากที่สุด กราไฟท์ส่วนใหญ่เคลือบบนฟอยล์ทองแดงที่ใช้เป็นขั้วบวก บทบาทของกราไฟท์คือทำหน้าที่เป็นสื่อจัดเก็บลิเธียมไอออน การสลับกลับของลิเธียมไอออนที่ปลดปล่อยแล้วสามารถทำได้อย่างง่ายดายในกราไฟท์เนื่องจากโครงสร้างชั้นที่ถูกผูกมัดอย่างหลวม ๆ
แคโทด:ลิเธียมบริสุทธิ์ที่มีอิเล็กตรอนชนิดหนึ่งบนเปลือกนอกมีปฏิกิริยาสูงและไม่เสถียรดังนั้นลิเธียมเมทัลออกไซด์ที่มีเสถียรภาพซึ่งเคลือบบนอลูมิเนียมฟอยล์ที่ใช้เป็นแคโทด ออกไซด์ของโลหะลิเธียมเช่นลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ ("NMC", LiNixMnyCozO2) ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์อลูมิเนียมออกไซด์ ("NCA", LiNiCoAlO2) ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ ("LMO", LiMn2O4) ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ("LFP", LiFePO4), ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2, "LCO") ใช้เป็นแคโทด
อิเล็กโทรไลต์:อิเล็กโทรไลต์ระหว่างขั้วลบและขั้วบวกต้องเป็นตัวนำไอออนิกที่ดีและฉนวนอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งหมายความว่าต้องยอมให้ไอออนของลิเธียมและต้องปิดกั้นอิเล็กตรอนผ่านระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุ อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนผสมของตัวทำละลายอินทรีย์คาร์บอเนตเช่นเอทิลีนคาร์บอเนตหรือไดเอทิลคาร์บอเนตและเกลือลิไอออนเช่นลิเธียมเฮกซะฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) ลิเธียมเปอร์คลอเรต (LiClO4) ลิเธียมเฮกซะฟลูออโรอาร์เซเนตโมโนไฮเดรต (LiAsF6) ลิเธียมไตรฟเลต (LiCF3SO3) เตตราฟลูออโรบอเรท (LiBF4)
ตัวคั่น: ตัวคั่นเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในอิเล็กโทรไลต์ ทำหน้าที่เป็นชั้นฉนวนระหว่างขั้วบวกและขั้วลบเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรระหว่างกันในขณะที่ปล่อยให้ไอออนลิเธียมจากแคโทดไปยังขั้วบวกและในทางกลับกันระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่จะใช้โพลีโอเลฟินเป็นตัวคั่น
ชาร์ก
ในระหว่างกระบวนการชาร์จเมื่อเราเชื่อมต่อแหล่งพลังงานผ่านแบตเตอรี่ลิเธียมอะตอมที่ให้พลังงานจะให้ไอออนลิเธียมและอิเล็กตรอนที่ขั้วบวก Li-ion เหล่านี้ผ่านอิเล็กโทรไลต์และถูกเก็บไว้ในขั้วลบในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอก ในระหว่างกระบวนการคายประจุเมื่อเราเชื่อมต่อโหลดภายนอกกับแบตเตอรี่ Li-ion ที่ไม่เสถียรที่เก็บไว้ในขั้วลบจะเดินทางกลับไปที่โลหะออกไซด์ที่ขั้วบวกและอิเล็กตรอนจะไหลเวียนผ่านโหลด ฟอยล์อลูมิเนียมและทองแดงที่นี่ทำหน้าที่เป็นตัวสะสมในปัจจุบัน
การก่อตัวของ SEI:
ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับการชาร์จครั้งแรกปริมาณของลิเธียมไอออนที่ให้โดยขั้วบวกจะน้อยกว่าจำนวนของลิเธียมไอออนที่เดินทางกลับไปยังแคโทดหลังจากการคายประจุครั้งแรก เนื่องจากการก่อตัวของ SEI (อินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง) สำหรับรอบการชาร์จและการคายประจุสองสามครั้งแรกเมื่ออิเล็กโทรไลต์สัมผัสกับอิเล็กโทรดตัวทำละลายในอิเล็กโทรไลต์ซึ่งมาพร้อมกับไอออนลิเธียมระหว่างการชาร์จจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรดและเริ่มสลายตัว การสลายตัวนี้ส่งผลให้เกิดสารประกอบLiF, Li 2 O, LiCl, Li 2 CO 3องค์ประกอบเหล่านี้ตกตะกอนบนขั้วไฟฟ้าและรูปแบบนาโนเมตรไม่กี่ชั้นหนาที่เรียกว่าอินเตอร์เฟซอิเล็กโทรไลของแข็ง (SEI) ชั้น passivating นี้ช่วยปกป้องอิเล็กโทรดจากการกัดกร่อนและการใช้อิเล็กโทรไลต์ต่อไปการก่อตัวของ SEI เกิดขึ้นในสองขั้นตอน
ขั้นตอนของการก่อตัวของ SEI:
ขั้นตอนแรกของการก่อ SEIจะเกิดขึ้นก่อนที่ลิเธียมไอออนรวมเป็นขั้วบวก ในขั้นตอนนี้รูปแบบเลเยอร์ SEI ที่ไม่เสถียรและมีความต้านทานสูง ขั้นตอนที่สองของการก่อ SEI ชั้นที่เกิดขึ้นพร้อมกันกับการเสพติดของลิเธียมไอออนในขั้วบวกที่ ฟิล์ม SEI ที่ได้นั้นมีรูพรุนขนาดกะทัดรัดต่างกันเป็นฉนวนกับอิเล็กตรอนในอุโมงค์และเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสำหรับลิเธียมไอออน เมื่อชั้น SEI ก่อตัวขึ้นจะต่อต้านการเคลื่อนตัวของอิเล็กโทรไลต์ผ่านชั้นพาสซีฟไปยังอิเล็กโทรด เพื่อให้มันควบคุมปฏิกิริยาเพิ่มเติมระหว่างอิเล็กโทรไลต์และลิเธียมไอออนอิเล็กตรอนที่อิเล็กโทรดจึง จำกัด การเติบโตของ SEI เพิ่มเติม
ความสำคัญและผลกระทบของ SEI
ชั้น SEI เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดและไม่ค่อยเข้าใจในอิเล็กโทรไลต์ แม้ว่าการค้นพบชั้น SEI จะเกิดขึ้นโดยบังเอิญ แต่ชั้น SEI ที่มีประสิทธิภาพนั้นมีความสำคัญต่ออายุการใช้งานที่ยาวนานความสามารถในการปั่นจักรยานที่ดีประสิทธิภาพสูงความปลอดภัยและความเสถียรของแบตเตอรี่ การก่อตัวของชั้น SEI เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญอย่างหนึ่งในการออกแบบแบตเตอรี่เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น SEI ที่ยึดติดอย่างดีบนอิเล็กโทรดช่วยรักษาความสามารถในการปั่นจักรยานที่ดีโดยป้องกันการใช้อิเล็กโทรไลต์เพิ่มเติม การปรับความพรุนและความหนาที่เหมาะสมของชั้น SEI ช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของลิเธียมไอออนผ่านส่งผลให้การทำงานของแบตเตอรี่ดีขึ้น
ในระหว่างการก่อตัวของชั้น SEI ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้อิเล็กโทรไลต์และลิเธียมไอออนจำนวนหนึ่งจะถูกใช้อย่างถาวร ดังนั้นการบริโภคของลิเธียมไอออนในช่วงการก่อตัวของ SEI ที่ส่งผลในการสูญเสียถาวรของความจุจะมีการเติบโตของ SEI พร้อมกับประจุและรอบการคายประจุซ้ำ ๆ จำนวนมากซึ่งทำให้ความต้านทานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานที่ไม่ดี
คุณสมบัติการทำงานของ SEI
ไม่สามารถหลีกเลี่ยง SEI ได้ในแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตามผลกระทบของ SEI สามารถลดลงได้หากเลเยอร์ที่สร้างขึ้นเป็นไปตามสิ่งต่อไปนี้
- มันต้องปิดกั้นการสัมผัสโดยตรงของอิเล็กตรอนด้วยอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากการสัมผัสระหว่างอิเล็กตรอนจากอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ทำให้เกิดการย่อยสลายและการลดลงของอิเล็กโทรไลต์
- มันจะต้องมีตัวนำไอออนิกดีควรปล่อยให้ไอออนของลิเธียมจากอิเล็กโทรไลต์ไหลไปยังอิเล็กโทรด
- จะต้องมีความเสถียรทางเคมีซึ่งหมายความว่าไม่สามารถทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์และไม่ควรละลายในอิเล็กโทรไลต์
- จะต้องมีความเสถียรทางกลไก ซึ่งหมายความว่าควรมีความแข็งแรงสูงเพื่อทนต่อการขยายตัวและการหดตัวระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ
- ต้องรักษาความเสถียรที่อุณหภูมิและศักยภาพในการทำงานต่างๆ
- ความหนาควรใกล้เคียงกับไม่กี่นาโนเมตร
การควบคุม SEI
การทำให้เสถียรและการควบคุม SEI มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและการทำงานที่ปลอดภัยของเซลล์ ALD (การสะสมชั้นอะตอม)และการเคลือบMLD (การสะสมชั้นโมเลกุล)บนอิเล็กโทรดควบคุมการเติบโตของ SEI
Al 2 O 3 (เคลือบ ALD) ที่มี bandgap 9.9 eV เคลือบบนตัวควบคุมอิเล็กโทรดและทำให้การเติบโตของ SEI คงที่เนื่องจากอัตราการถ่ายเทอิเล็กตรอนช้า ซึ่งจะช่วยลดการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และการใช้ Li-ion เช่นเดียวกับ Aluminium alkoxide การเคลือบ MLD ชนิดหนึ่งจะควบคุมการสร้างชั้น SEI สารเคลือบ ALD และ MLD เหล่านี้ช่วยลดการสูญเสียกำลังการผลิตช่วยเพิ่มประสิทธิภาพคูลอมบิก