Memahami antarmuka elektrolit padat (sei) untuk meningkatkan kinerja baterai lithium ion

Saat ini baterai lithium-ion mendapatkan lebih banyak perhatian karena penggunaannya yang luas di Kendaraan Listrik, Cadangan Daya, Ponsel, Laptop, jam tangan pintar, dan barang elektronik portabel lainnya, dll. Banyak penelitian terjadi pada baterai lithium dengan meningkatnya permintaan kendaraan listrik untuk performa yang jauh lebih baik. Salah satu parameter penting yang menurunkan kinerja dan masa pakai baterai lithium adalah pengembangan antarmuka elektrolit padat (SEI),ini adalah lapisan padat yang terbentuk di dalam baterai litium saat kami mulai menggunakannya. Pembentukan lapisan padat ini menghalangi jalannya antara elektrolit dan elektroda yang sangat mempengaruhi kinerja baterai. Pada artikel ini, kita akan mempelajari lebih lanjut tentang Solid electrolyte interface (SEI) ini, sifat-sifatnya, bagaimana bentuknya dan juga akan membahas cara mengontrolnya untuk meningkatkan kinerja dan masa pakai Baterai Lithium. Perhatikan bahwa beberapa orang juga menyebut Solid Electrolyte Interface sebagai Solid Electrolyte Interphase (SEI), kedua istilah tersebut digunakan secara bergantian keseluruhan makalah penelitian dan karenanya sulit untuk berdebat tentang istilah yang benar. Demi artikel ini, kami akan tetap berpegang pada antarmuka elektrolit padat.

Baterai lithium-ion:

Sebelum kita mendalami SEI, mari kita revisi sedikit tentang dasar-dasar sel Li-ion sehingga kita lebih memahami konsepnya. Jika Anda benar-benar baru mengenal kendaraan listrik maka periksa artikel Semua yang ingin Anda ketahui tentang Baterai Kendaraan Listrik ini untuk memahami baterai EV sebelum Anda melanjutkan lebih jauh.

Baterai lithium-ion terdiri dari Anoda (elektroda negatif), katoda (elektroda positif), elektrolit, dan separator.

Anoda: Grafit, karbon hitam, litium titanat (LTO), Silikon, dan grafena adalah beberapa bahan anoda yang paling disukai. Paling umum grafit, dilapisi pada foil tembaga digunakan sebagai anoda. Peran grafit adalah bertindak sebagai media penyimpanan ion litium. Interkalasi reversibel ion litium yang dibebaskan dapat dengan mudah dilakukan pada grafit karena struktur berlapisnya yang terikat secara longgar.

Katoda: Lithium murni yang memiliki satu elektron kelambu pada kulit terluarnya sangat reaktif dan tidak stabil, sehingga oksida logam lithium yang stabil, dilapisi aluminium foil digunakan sebagai katoda. Oksida logam litium seperti Lithium nickel manganese cobalt oxide ("NMC", LiNixMnyCozO2), Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide ("NCA", LiNiCoAlO2), Lithium Manganese Oxide ("LMO", LiMn2O4), Lithium Iron Phosphate ("LFP4", LiFePO4), Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2, "LCO") digunakan sebagai katoda.

Elektrolit: Elektrolit antara elektroda negatif dan positif harus menjadi konduktor ionik yang baik dan isolator elektronik yang berarti harus memungkinkan ion litium dan harus memblokir elektron yang melewatinya selama proses pengisian dan pengosongan. elektrolit adalah campuran pelarut karbonat organik seperti etilen karbonat atau dietil karbonat dan garam Li-ion seperti litium heksafluorofosfat (LiPF6), litium perklorat (LiClO4), litium Hexafluoroarsenate monohydrate (LiAsF6), litium triflat (LiCF3SO3), dan litium tetrafluoroborate (LiBF4).

Separator: Separator merupakan komponen penting dalam elektrolit. Ini bertindak sebagai lapisan isolasi antara anoda dan katoda untuk menghindari korsleting di antara keduanya sambil membiarkan ion lithium dari katoda ke anoda dan sebaliknya selama pengisian dan pengosongan. Dalam baterai lithium-ion kebanyakan poliolefin digunakan sebagai pemisah.

Tagihan

Selama proses pengisian ketika kita menghubungkan sumber daya di baterai, atom Lithium yang diberi energi, menghasilkan ion dan elektron Lithium di elektroda positif. Ion Li ini melewati elektrolit dan disimpan di elektroda negatif, sementara elektron berjalan melalui sirkuit eksternal. Selama proses pelepasan ketika kita menghubungkan beban eksternal ke baterai, ion Li yang tidak stabil yang disimpan dalam elektroda negatif berjalan kembali ke oksida logam di elektroda positif dan elektron bersirkulasi melalui beban. Di sini aluminium dan foil tembaga bertindak sebagai pengumpul arus.

Pembentukan SEI:

Dalam baterai Li-ion, untuk pengisian pertama, jumlah lithium-ion yang diberikan oleh elektroda positif lebih kecil dari jumlah ion litium yang dibawa kembali ke katoda setelah pemakaian pertama. Ini karena terbentuknya SEI (antarmuka elektrolit padat). Untuk beberapa siklus pengisian dan pengosongan pertama, ketika elektrolit bersentuhan dengan elektroda, pelarut dalam elektrolit yang disertai dengan ion litium selama pengisian bereaksi dengan elektroda dan mulai membusuk. Hasil dekomposisi ini dalam pembentukan senyawa LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Komponen-komponen ini mengendap pada elektroda dan membentuk lapisan tebal beberapa nanometer yang disebut antarmuka elektrolit padat (SEI) . Lapisan pasif ini melindungi elektroda dari korosi dan konsumsi elektrolit selanjutnya, pembentukan SEI terjadi dalam dua tahap.

Tahapan Pembentukan SEI:

Tahap pertama pembentukan SEI berlangsung sebelum ion litium dimasukkan ke dalam anoda. Pada tahap ini, lapisan SEI yang tidak stabil dan sangat resistif terbentuk. Tahap kedua pembentukan lapisan SEI terjadi bersamaan dengan interkalasi ion litium pada anoda. Film SEI yang dihasilkan berpori, kompak, heterogen, mengisolasi terowongan elektron dan konduktif untuk ion lithium. Setelah lapisan SEI terbentuk, ia menahan gerakan elektrolit melalui lapisan pasif ke elektroda. Sehingga mengontrol reaksi lebih lanjut antara ion elektrolit dan lithium, elektron pada elektroda dan dengan demikian membatasi pertumbuhan SEI lebih lanjut.

Pentingnya dan Pengaruh SEI

Lapisan SEI adalah komponen yang paling penting dan kurang dipahami dalam elektrolit. Meskipun penemuan lapisan SEI tidak disengaja, tetapi lapisan SEI yang efektif penting untuk masa pakai yang lama, kemampuan bersepeda yang baik, kinerja tinggi, keamanan, dan stabilitas baterai. Pembentukan lapisan SEI merupakan salah satu pertimbangan penting dalam perancangan baterai untuk performa yang lebih baik. SEI yang melekat dengan baik pada elektroda mempertahankan kemampuan bersepeda yang baik dengan mencegah konsumsi elektrolit lebih lanjut. Penyetelan porositas dan ketebalan lapisan SEI yang tepat meningkatkan konduktivitas ion litium yang melaluinya, menghasilkan pengoperasian baterai yang lebih baik.

Selama pembentukan lapisan SEI yang tidak dapat diubah, sejumlah ion elektrolit dan litium dikonsumsi secara permanen. Jadi konsumsi ion litium selama pembentukan SEI mengakibatkan hilangnya kapasitas secara permanen. Akan ada pertumbuhan SEI dengan banyaknya siklus pengisian dan pengosongan yang berulang, yang menyebabkan kenaikan impedansi baterai, kenaikan suhu, dan kepadatan daya yang buruk.

Sifat Fungsional SEI

SEI tidak dapat dihindari dalam baterai. akan tetapi, efek SEI dapat diminimalkan jika lapisan yang terbentuk mengikuti berikut ini

• Ini harus memblokir kontak langsung elektron dengan elektrolit karena kontak antara elektron dari elektroda dan elektrolit menyebabkan degradasi dan reduksi elektrolit.
• Ini harus menjadi konduktor ionik yang baik. Ini harus memungkinkan ion lithium dari elektrolit mengalir ke elektroda
• Itu harus stabil secara kimiawi yang berarti tidak dapat bereaksi dengan elektrolit dan harus tidak larut dalam elektrolit
• Ini harus stabil secara mekanis yang berarti harus memiliki kekuatan tinggi untuk mentolerir tekanan ekspansi dan kontraksi selama siklus pengisian dan pemakaian.
• Itu harus menjaga stabilitas pada berbagai suhu dan potensi operasi
• Ketebalannya harus mendekati beberapa nanometer

Pengendalian SEI

Stabilisasi dan kontrol SEI sangat penting untuk meningkatkan kinerja dan pengoperasian sel yang aman. Lapisan ALD (deposisi lapisan atom) dan MLD (deposisi lapisan molekuler) pada elektroda mengontrol pertumbuhan SEI.

Al ₂ O ₃ (lapisan ALD) dengan celah pita 9.9 eV dilapisi pada elektroda mengontrol dan menstabilkan pertumbuhan SEI karena kecepatan transfer elektron yang lambat. Ini akan mengurangi dekomposisi elektrolit dan konsumsi Li-ion. Dengan cara yang sama Aluminium alkoksida, salah satu pelapis MLD mengontrol penumpukan lapisan SEI. Lapisan ALD dan MLD ini mengurangi kehilangan kapasitas, meningkatkan efisiensi coulomb.