固體電解質(zhì)界面是如何提高鋰離子電池性能的

近年來，鋰離子電池因其在電動(dòng)汽車、備用電源、手機(jī)、筆記本電腦、智能手表和其他便攜式電子產(chǎn)品等方面的廣泛應(yīng)用而受到越來越多的關(guān)注。隨著鋰電池需求的增加，鋰電池的研究也越來越多。電動(dòng)汽車性能更佳。降低鋰電池性能和壽命的一個(gè)重要參數(shù)是 固體電解質(zhì)界面（SEI）的發(fā)展，當(dāng)我們開始使用它時(shí)，這是一個(gè)在鋰電池內(nèi)部構(gòu)建的固體層。該固體層的形成阻塞了電解質(zhì)和電極之間的通道，嚴(yán)重影響了電池的性能。在本文中，我們將詳細(xì)了解這種固體電解質(zhì)界面 （SEI）、它的特性、它的形成方式，還將討論如何控制它以提高鋰電池的性能和壽命。請(qǐng)注意，有些人也將固體電解質(zhì)界面稱為固體電解質(zhì)界面 （SEI），這兩個(gè)術(shù)語在整體研究論文中可互換使用，因此很難爭(zhēng)論哪個(gè)是正確的術(shù)語。為了這篇文章，我們將堅(jiān)持固體電解質(zhì)界面。

鋰離子電池：

在深入研究 SEI 之前，讓我們先對(duì)鋰離子電池的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行一些修改，以便更好地理解這個(gè)概念。如果您對(duì)電動(dòng)汽車完全陌生，那么請(qǐng)查看這篇關(guān)于電動(dòng)汽車電池的所有您想知道的文章，以了解電動(dòng)汽車電池，然后再繼續(xù)下一步。

鋰離子電池由陽極（負(fù)極）、陰極（正極）、電解液和隔膜組成。

陽極：石墨、炭黑、鈦酸鋰 （LTO）、硅和石墨烯是一些最優(yōu)選的陽極材料。最常見的是石墨，涂在用作陽極的銅箔上。石墨的作用是充當(dāng)鋰離子的存儲(chǔ)介質(zhì)。由于石墨具有松散結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)，因此釋放的鋰離子可以很容易地在石墨中進(jìn)行可逆嵌入。

陰極：純鋰在其外殼上具有一個(gè)價(jià)電子，具有高反應(yīng)性和不穩(wěn)定，因此穩(wěn)定的鋰金屬氧化物，涂在鋁箔上用作陰極。鋰金屬氧化物，如鋰鎳錳鈷氧化物（“NMC”、LiNixMnyCozO2）、鋰鎳鈷鋁氧化物（“NCA”、LiNiCoAlO2）、鋰錳氧化物（“LMO”、LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（“LFP”、LiFePO4 ），鈷酸鋰（LiCoO2，“LCO”）用作陰極。

電解質(zhì)：負(fù)極和正極之間的電解質(zhì)必須是良好的離子導(dǎo)體和電子絕緣體，這意味著它必須允許鋰離子在充電和放電過程中通過它并阻止電子通過。電解質(zhì)是有機(jī)碳酸酯溶劑（例如碳酸亞乙酯或碳酸二乙酯）和鋰離子鹽（例如六氟磷酸鋰 （LiPF6）、高氯酸鋰 （LiClO4）、六氟砷酸鋰 （LiAsF6）、三氟甲磺酸鋰 （LiCF3SO3） 和鋰）的混合物四氟硼酸鹽（LiBF4）。

隔膜：隔膜是電解液中的關(guān)鍵部件。它充當(dāng)陽極和陰極之間的絕緣層，以避免它們之間的短路，同時(shí)允許鋰離子在充電和放電過程中從陰極到陽極，反之亦然。在鋰離子電池中，主要使用聚烯烴作為隔膜。

充放電過程_ _

在充電過程中，當(dāng)我們將電源連接到電池時(shí)，通電的鋰原子會(huì)在正極提供鋰離子和電子。這些鋰離子穿過電解質(zhì)并儲(chǔ)存在負(fù)極中，而電子則穿過外部電路。在放電過程中，當(dāng)我們將外部負(fù)載連接到電池時(shí)，儲(chǔ)存在負(fù)極中的不穩(wěn)定鋰離子會(huì)返回正極處的金屬氧化物，電子在負(fù)載中循環(huán)。這里鋁箔和銅箔充當(dāng)集電器。

SEI形成：

在鋰離子電池中，第一次充電時(shí)，正極提供的鋰離子數(shù)量小于第一次放電后返回正極的鋰離子數(shù)量。這是由于形成了 SEI（固體電解質(zhì)界面）。在最初的幾個(gè)充放電循環(huán)中，當(dāng)電解液與電極接觸時(shí)，在充電過程中伴隨鋰離子的電解液中的溶劑與電極發(fā)生反應(yīng)并開始分解。這種分解導(dǎo)致形成LiF、Li 2 O、LiCl、Li 2 CO 3化合物。這些成分在電極上沉淀并形成幾納米厚的層，稱為固體電解質(zhì)界面 （SEI） 。該鈍化層保護(hù)電極免受腐蝕和電解質(zhì)的進(jìn)一步消耗，SEI 的形成分兩個(gè)階段進(jìn)行。

SEI形成的階段：

SEI 形成的第一階段發(fā)生在鋰離子進(jìn)入陽極之前。在這個(gè)階段，形成不穩(wěn)定和高電阻的 SEI 層。SEI 層形成的第二階段與鋰離子在陽極上的嵌入同時(shí)發(fā)生。所得的 SEI 薄膜是多孔的、致密的、異質(zhì)的、對(duì)電子隧穿絕緣和對(duì)鋰離子導(dǎo)電。一旦 SEI 層形成，它就會(huì)阻止電解質(zhì)通過鈍化層移動(dòng)到電極。因此它控制了電解質(zhì)和鋰離子之間的進(jìn)一步反應(yīng)，電極上的電子，從而限制了SEI的進(jìn)一步生長。

SEI的重要性和影響

SEI 層是電解質(zhì)中最重要且鮮為人知的成分。雖然SEI層的發(fā)現(xiàn)是偶然的，但有效的SEI層對(duì)于電池的長壽命、良好的循環(huán)能力、高性能、安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。SEI層的形成是設(shè)計(jì)電池以獲得更好性能的重要考慮因素之一。電極上附著良好的 SEI 通過防止電解質(zhì)的進(jìn)一步消耗來保持良好的循環(huán)能力。適當(dāng)調(diào)整 SEI 層的孔隙率和厚度可提高鋰離子通過它的傳導(dǎo)性，從而改善電池運(yùn)行。

在SEI層的不可逆形成過程中，一定量的電解質(zhì)和鋰離子被永久消耗。因此，在 SEI 形成過程中鋰離子的消耗會(huì)導(dǎo)致容量的永久性損失。多次重復(fù)充放電循環(huán)會(huì)導(dǎo)致SEI增長，導(dǎo)致電池阻抗增加，溫度升高，功率密度變差。

SEI的功能特性

SEI在電池中是不可避免的。但是，如果形成的層符合以下要求，則可以將 SEI 的影響降至最低

它必須阻止電子與電解質(zhì)的直接接觸，因?yàn)閬碜噪姌O的電子與電解質(zhì)之間的接觸會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)的降解和還原。

它必須是良好的離子導(dǎo)體。它應(yīng)該允許來自電解質(zhì)的鋰離子流向電極

它必須是化學(xué)穩(wěn)定的，這意味著它不能與電解液發(fā)生反應(yīng)，并且應(yīng)該不溶于電解液

它必須是機(jī)械穩(wěn)定 的，這意味著它應(yīng)該具有高強(qiáng)度以承受充電和放電循環(huán)期間的膨脹和收縮應(yīng)力。

它必須在各種工作溫度和電位下保持穩(wěn)定性

它的厚度應(yīng)該接近幾納米

SEI的控制

SEI 的穩(wěn)定和控制對(duì)于提高電池的性能和安全運(yùn)行至關(guān)重要。電極上的ALD（原子層沉積）和MLD（分子層沉積）涂層控制 SEI 的生長。

帶隙為 9.9 eV 的Al 2 O 3（ALD 涂層）涂覆在電極上，由于其緩慢的電子傳輸速率，可以控制和穩(wěn)定 SEI 的生長。這將減少電解質(zhì)分解和鋰離子消耗。與鋁醇鹽一樣，MLD 涂層之一控制 SEI 層的堆積。這些 ALD 和 MLD 涂層減少了容量損失，提高了庫侖效率。