בימינו סוללות ליתיום-יון זוכות לתשומת לב רבה יותר בגלל היישום הנרחב שלהן ברכבים חשמליים, גיבויי חשמל, מוביילים, מחשבים ניידים, שעונים חכמים וסחורות אלקטרוניות ניידות אחרות וכו '. הרבה מחקרים מתרחשים על סוללות ליתיום עם הביקוש המוגבר ל רכבים חשמליים לביצועים טובים בהרבה. פרמטר חשוב אחד שמקטין את הביצועים והחיים של סוללת ליתיום הוא פיתוח ממשק אלקטרוליטים מוצק (SEI),זו שכבה מוצקה שנבנית בתוך סוללת הליתיום כשאנחנו מתחילים להשתמש בה. היווצרותה של שכבה מוצקה זו חוסמת את המעבר בין האלקטרוליט לאלקטרודות המשפיעות מאוד על ביצועי הסוללה. במאמר זה נלמד עוד על ממשק אלקטרוליטים מוצק זה (SEI), תכונותיו, אופן יצירתו ונדון גם כיצד לשלוט בו כדי להגדיל את הביצועים ואת חיי סוללת ליתיום. שים לב שאנשים מסוימים מכנים גם ממשק אלקטרוליטים מוצקים כ- Interfacase Solid Electrolyte Interface (SEI), שני המונחים משמשים להחלפת עבודות מחקר כולל, ולכן קשה להתווכח על המונח הנכון. לצורך מאמר זה, אנו נצמד לממשק האלקטרוליטים המוצק.
בטריות ליתיום:
לפני שנצלול עמוק לתוך SEI, בואו נבדוק מעט את היסודות של תאי ליתיום כדי שנבין טוב יותר את הרעיון. אם אתה חדש לגמרי ברכבים חשמליים, בדוק את המאמר כל מה שאתה רוצה לדעת על סוללות רכב חשמלי כדי להבין את הסוללות לפני שאתה ממשיך הלאה.
סוללות ליתיום-יון מורכבות מאנודה (אלקטרודה שלילית), קתודה (אלקטרודה חיובית), אלקטרוליט ומפריד.
אנודה: גרפיט, שחור פחמן, ליתיום טיטנאט (LTO), סיליקון וגרפן הם חומרי האנודה המועדפים ביותר. לרוב גרפיט, מצופה על נייר נחושת המשמש כאנודה. תפקיד הגרפיט הוא לשמש כמדיום אחסון ליוני ליתיום. ניתן לבצע בקלות אינטראקציה הפיכה של יוני ליתיום משוחררים בגרפיט בגלל מבנה השכבות המורכב באופן רופף.
קתודה: ליתיום טהור בעל אלקטרון ערכי אחד על מעטפתו החיצונית הוא תגובתי מאוד ולא יציב, כך שתחמוצת מתכת ליתיום יציבה, מצופה על נייר אלומיניום המשמש כקטודה. תחמוצות מתכת ליתיום כמו תחמוצת קובלט לנגן ניקל מנגן ("NMC", LiNixMnyCozO2), ליתיום ניקל קובלט תחמוצת אלומיניום ("NCA", LiNiCoAlO2), תחמוצת מנגן ליתיום ("LMO", LiMn2O4), פוספט ברזל ליתיום ("LFP4", LiFe), תחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO2, "LCO") משמשים כקטודות.
אלקטרוליט: אלקטרוליט בין האלקטרודות השליליות לחיוביות חייב להיות מוליך יוני טוב ומבודד אלקטרוני שמשמעותו שהוא צריך לאפשר את יוני הליתיום ועליו לחסום את האלקטרונים דרכו במהלך הטעינה והפריקה. אלקטרוליט הוא תערובת של ממסים פחמתי אורגניים כגון אתילן פחמתי או דיאתיל פחמתי ומלחי לי-יון כמו ליתיום הקסאפלואורופוספט (LiPF6), ליתיום פרכלוראט (LiClO4), ליתיום Hexafluoroarsenate מונוהידראט (LiAsF6), ליתיום טריפלייט (LiCF3S tetrafluoroborate (LiBF4).
מפריד: מפריד הוא מרכיב קריטי באלקטרוליט. הוא משמש כשכבת בידוד בין האנודה לקתודה כדי למנוע את הקצר ביניהם תוך מתן אפשרות ליוני הליתיום מהקתודה לאנודה ולהיפך במהלך טעינה ופריקה. בסוללות ליתיום-יון משמשות בעיקר כמפריד בין פוליאולפין.
מטען
במהלך תהליך הטעינה כאשר אנו מחברים מקור כוח על פני הסוללה, אטום ליתיום ממריץ, נותן יוני ליתיום ואלקטרונים באלקטרודה החיובית. ליונים אלה עוברים דרך האלקטרוליט ומאוחסנים באלקטרודה השלילית, בעוד אלקטרונים עוברים במעגל החיצוני. במהלך תהליך הפריקה כאשר אנו מחברים עומס חיצוני על פני הסוללה, הליונים הלא יציבים המאוחסנים באלקטרודה השלילית עוברים חזרה לתחמוצת המתכת באלקטרודה החיובית ואלקטרונים מסתובבים דרך העומס. כאן אלומיניום ונייר אלומיניום משמשים כאספנים הנוכחיים.
היווצרות SEI:
בסוללות ליתיום, לטעינה הראשונה, כמות הליתיום-יון הניתנת על ידי האלקטרודה החיובית קטנה ממספר יוני הליתיום שהועברו חזרה לקתודה לאחר הפריקה הראשונה. זאת בשל היווצרות SEI (ממשק אלקטרוליטים מוצק). במהלך מחזורי הטעינה והפריקה הראשונים, כאשר האלקטרוליט בא במגע עם האלקטרודה, ממסים באלקטרוליט המלווים ביוני הליתיום במהלך הטעינה מגיבים עם האלקטרודה ומתחילים להתפרק. פירוק זה גורם ליצירת תרכובות LiF, Li 2 O, LiCl, Li 2 CO 3. רכיבים אלה מזרזים על האלקטרודה ויוצרים כמה שכבות בעובי ננומטר הנקראות ממשק אלקטרוליטים מוצק (SEI) . שכבה פסיבית זו מגנה על האלקטרודה מפני קורוזיה וצריכה נוספת של אלקטרוליט, היווצרות SEI מתרחשת בשני שלבים.
שלבי גיבוש SEI:
השלב הראשון בהיווצרות SEI מתרחש לפני הכללת יוני הליתיום אל האנודה. בשלב זה נוצרת שכבת SEI לא יציבה ועמידה ביותר. השלב השני בהיווצרות שכבת SEI קורה בו זמנית עם עיבור יוני הליתיום על האנודה. סרט ה- SEI שהתקבל הוא נקבובי, קומפקטי, הטרוגני, מבודד לאלקטרונים המנהרים ומוליך ליוני ליתיום. ברגע ששכבת SEI נוצרת, היא מתנגדת לתנועת האלקטרוליטים דרך השכבה הפסיבית לאלקטרודה. כך שהוא שולט בתגובה נוספת בין יונים אלקטרוליטים ליתיום, אלקטרונים באלקטרודה ובכך מגביל את הצמיחה נוספת של SEI.
החשיבות וההשפעות של SEI
שכבת SEI היא המרכיב החשוב ביותר והפחות מובן באלקטרוליט. אמנם גילוי שכבת ה- SEI הוא מקרי, אך שכבת SEI יעילה חשובה לחיים ארוכים, ליכולת רכיבה טובה, ביצועים גבוהים, בטיחות ויציבות של סוללה. היווצרות שכבת ה- SEI היא אחד השיקולים החשובים בתכנון סוללות לביצועים טובים יותר. SEI נצמד היטב על אלקטרודות שומר על יכולת רכיבה טובה על ידי מניעת צריכה נוספת של האלקטרוליט. כוונון נקבוביות ועובי נכונה של שכבת SEI משפר את מוליכות יוני הליתיום דרכה, מביא לשיפור פעולת הסוללה.
במהלך היווצרותה הבלתי הפיכה של שכבת SEI, נצרכת לצמיתות כמות מסוימת של יונים אלקטרוליטים וליתיום. לפיכך צריכת יוני ליתיום במהלך היווצרות SEI מביאה לאובדן כושר קבוע. תהיה צמיחה של SEI עם טעינות חוזרות רבות ומחזורי פריקה, מה שגורם לעליית עכבת הסוללה, עליית טמפרטורה וצפיפות הספק ירודה.
מאפיינים פונקציונליים של SEI
אין מנוס מ- SEI בסוללה. עם זאת, ניתן למזער את ההשפעה של SEI אם השכבה שנוצרה עומדת בדברים הבאים
- עליו לחסום את המגע הישיר של האלקטרונים עם האלקטרוליט מכיוון שמגע בין האלקטרונים מהאלקטרודות לבין האלקטרוליט גורם להידרדרות ולהפחתת האלקטרוליטים.
- זה צריך להיות מוליך יוני טוב. זה אמור לאפשר ליוני הליתיום מהאלקטרוליט לזרום לאלקטרודות
- זה צריך להיות יציב מבחינה כימית, כלומר זה לא יכול להגיב עם אלקטרוליט ועליו להיות מסיס באלקטרוליט.
- זה צריך להיות יציב מכנית, מה שאומר שהוא צריך להיות בעל חוזק גבוה לסבול את מאמצי ההתרחבות והתכווצות במהלך מחזורי הטעינה והפריקה.
- עליו לשמור על היציבות בטמפרטורות הפוטנציאל הפועלות שונות
- עוביו צריך להיות קרוב לכמה ננומטר
שליטה על SEI
ייצוב ושליטה ב- SEI הם חיוניים לשיפור הביצועים ולתפעול הבטוח של התא. ציפויים ALD (בתצהיר שכבת אטום) ו- MLD (בתצהיר שכבה מולקולרית) על אלקטרודות שולטים בגידול SEI.
Al 2 O 3 (ציפוי ALD) עם פס הפס של 9.9 eV מצופה על בקרות אלקטרודה ומייצב את צמיחת ה- SEI בשל קצב העברת האלקטרונים האיטי שלו. זה יפחית את פירוק האלקטרוליטים ואת צריכת הליונים. באותה צורה אלקוקסיד אלומיניום, אחד מציפויי ה- MLD שולט בהצטברות שכבות SEI. ציפויי ALD ו- MLD אלה מפחיתים את אובדן הקיבולת ומשפרים את היעילות הקולומבית.