Compreendendo a interface de eletrólito sólido (sei) para melhorar o desempenho da bateria de íon de lítio

Hoje em dia, as baterias de íon de lítio estão ganhando mais atenção devido à sua ampla aplicação em veículos elétricos, backups de energia, celulares, laptops, smartwatches e outros produtos eletrônicos portáteis, etc., muitas pesquisas estão acontecendo sobre baterias de lítio com o aumento da demanda por veículos elétricos para um desempenho muito melhor. Um parâmetro importante que diminui o desempenho e a vida útil da bateria de lítio é o desenvolvimento de uma interface de eletrólito sólido (SEI),esta é uma camada sólida que se forma dentro da bateria de lítio quando começamos a usá-la. A formação dessa camada sólida bloqueia a passagem entre o eletrólito e os eletrodos, afetando fortemente o desempenho da bateria. Neste artigo, aprenderemos mais sobre essa interface de eletrólito sólido (SEI), suas propriedades, como ela se forma e também discutiremos como controlá-la para aumentar o desempenho e a vida útil de uma bateria de lítio. Observe que algumas pessoas também chamam de Solid Electrolyte Interface como Solid Electrolyte Interphase (SEI), ambos os termos são usados ​​de forma intercambiável em trabalhos de pesquisa gerais e, portanto, é difícil argumentar sobre qual é o termo correto. Para o propósito deste artigo, vamos nos ater à interface de eletrólito sólido.

Baterias de íon-lítio:

Antes de nos aprofundarmos no SEI, vamos revisar um pouco os fundamentos das células de íons de lítio para entender melhor o conceito. Se você é totalmente novo em veículos elétricos, verifique este artigo Tudo o que você deseja saber sobre baterias para veículos elétricos para entender as baterias EV antes de prosseguir.

As baterias de íons de lítio são compostas de ânodo (eletrodo negativo), cátodo (eletrodo positivo), eletrólito e separador.

Ânodo: Grafite, negro de fumo, titanato de lítio (LTO), silício e grafeno são alguns dos materiais de ânodo mais preferidos. Mais comumente grafite, revestida em folha de cobre usada como ânodo. O papel da grafite é atuar como meio de armazenamento para íons de lítio. A intercalação reversível de íons de lítio liberados pode ser feita facilmente no grafite devido à sua estrutura em camadas fracamente ligada.

Cátodo: O lítio puro com um elétron de valência em sua camada externa é altamente reativo e instável, de modo que o óxido de metal de lítio estável, revestido em folha de alumínio, usado como cátodo. Óxidos de metal de lítio como óxido de lítio-níquel manganês-cobalto ("NMC", LiNixMnyCozO2), óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio ("NCA", LiNiCoAlO2), óxido de lítio-manganês ("LMO", LiMn2O4), fosfato de lítio e ferro ("LFP4", LiFePO4), Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2, "LCO") são usados ​​como cátodos.

Eletrólito: O eletrólito entre os eletrodos negativo e positivo deve ser um bom condutor iônico e um isolante eletrônico, o que significa que ele deve permitir os íons de lítio e bloquear os elétrons através dele durante o processo de carga e descarga. um eletrólito é uma mistura de solventes de carbonato orgânico, como carbonato de etileno ou carbonato de dietil e sais de íons de lítio, como hexafluorofosfato de lítio (LiPF6), perclorato de lítio (LiClO4), hexafluoroarsenato de lítio mono-hidratado (LiAsF6), triflato de lítio (LiCF3SO3) e triflato de lítio (LiCF3SO3) tetrafluoroborato (LiBF4).

Separador: o separador é um componente crítico do eletrólito. Ele atua como uma camada isolante entre o ânodo e o cátodo para evitar o curto-circuito entre eles, permitindo que os íons de lítio do cátodo para o ânodo e vice-versa durante o carregamento e a descarga. Em baterias de íon-lítio, principalmente poliolefina é usada como separador.

Charg

Durante o processo de carregamento, quando conectamos uma fonte de energia à bateria, o átomo de lítio energizado fornece íons de lítio e elétrons no eletrodo positivo. Esses íons de lítio passam pelo eletrólito e ficam armazenados no eletrodo negativo, enquanto os elétrons viajam pelo circuito externo. Durante o processo de descarga, quando conectamos a carga externa à bateria, os íons de lítio instáveis ​​armazenados no eletrodo negativo viajam de volta para o óxido de metal no eletrodo positivo e os elétrons circulam pela carga. Aqui, as folhas de alumínio e cobre atuam como coletores de corrente.

Formação SEI:

Em baterias de íon-lítio, para o primeiro carregamento, a quantidade de íon-lítio fornecida pelo eletrodo positivo é menor do que o número de íons de lítio viajados de volta para o cátodo após a primeira descarga. Isso ocorre devido à formação de SEI (interface de eletrólito sólido). Para os primeiros ciclos de carga e descarga, quando o eletrólito entra em contato com o eletrodo, os solventes em um eletrólito que são acompanhados pelos íons de lítio durante o carregamento reagem com o eletrodo e começam a se decompor. Esta decomposição resulta na formação de compostos LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Esses componentes precipitam no eletrodo e formam algumas camadas de nanômetros de espessura chamadas interface de eletrólito sólido (SEI) . Esta camada passivadora protege o eletrodo da corrosão e posterior consumo de eletrólito, a formação do SEI ocorre em duas etapas.

Estágios de formação SEI:

O primeiro estágio da formação SEI ocorre antes da inclusão dos íons de lítio no ânodo. Neste estágio, a camada SEI instável e altamente resistiva se forma. O segundo estágio da formação da camada SEI ocorre simultaneamente com a intercalação de íons de lítio no ânodo. O filme SEI resultante é poroso, compacto, heterogêneo, isolante de tunelamento de elétrons e condutor de íons de lítio. Uma vez que a camada SEI se forma, ela resiste ao movimento do eletrólito através da camada de passivação para o eletrodo. Para que ele controle a reação posterior entre eletrólito e íons de lítio, elétrons no eletrodo e, assim, restrinja o crescimento de SEI adicional.

Importância e efeitos do SEI

A camada SEI é o componente mais importante e menos conhecido do eletrólito. Embora a descoberta da camada SEI seja acidental, uma camada SEI eficaz é importante para a longa vida útil, boa capacidade de ciclagem, alto desempenho, segurança e estabilidade de uma bateria. A formação da camada SEI é uma das considerações importantes no projeto de baterias para melhor desempenho. O SEI bem aderido aos eletrodos mantém uma boa capacidade de ciclagem, evitando o consumo posterior do eletrólito. O ajuste adequado da porosidade e espessura da camada SEI melhora a condutividade dos íons de lítio através dela, resultando em operação aprimorada da bateria.

Durante a formação irreversível da camada SEI, uma certa quantidade de eletrólitos e íons de lítio são consumidos permanentemente. Assim, o consumo de íons de lítio durante a formação de SEI resulta em uma perda permanente de capacidade. Haverá um crescimento de SEI com muitas cargas e ciclos de descarga repetidos, o que causa o incremento na impedância da bateria, aumento de temperatura e baixa densidade de potência.

Propriedades Funcionais de SEI

SEI é inevitável em uma bateria. no entanto, o efeito de SEI pode ser minimizado se a camada formada aderir ao seguinte

• Ele deve bloquear o contato direto dos elétrons com o eletrólito porque o contato entre os elétrons dos eletrodos e o eletrólito causa degradação e redução do eletrólito.
• Tem que ser um bom condutor iônico. Deve permitir que os íons de lítio de um eletrólito fluam para os eletrodos
• Deve ser quimicamente estável, o que significa que não pode reagir com o eletrólito e deve ser insolúvel no eletrólito
• Deve ser mecanicamente estável, o que significa que deve ter uma alta resistência para tolerar as tensões de expansão e contração durante os ciclos de carga e descarga.
• Deve manter a estabilidade em várias temperaturas e potenciais de operação
• Sua espessura deve ser próxima a alguns nanômetros

Controle de SEI

A estabilização e o controle do SEI são cruciais para o desempenho aprimorado e a operação segura da célula. Os revestimentos ALD (deposição da camada atômica) e MLD (deposição da camada molecular) nos eletrodos controlam o crescimento SEI.

O Al ₂ O ₃ (revestimento ALD) com o bandgap de 9,9 eV revestido no eletrodo controla e estabiliza o crescimento SEI devido à sua lenta taxa de transferência de elétrons. Isso reduzirá a decomposição do eletrólito e o consumo de íons de lítio. Da mesma forma, o alcóxido de alumínio, um dos revestimentos MLD controla a formação da camada SEI. Esses revestimentos ALD e MLD reduzem a perda de capacidade, melhorando a eficiência coulômbica.