Comprensión de la interfaz de electrolitos sólidos (sei) para mejorar el rendimiento de la batería de iones de litio

En estos días, las baterías de iones de litio están ganando más atención debido a su aplicación generalizada en vehículos eléctricos, respaldos de energía, móviles, computadoras portátiles, relojes inteligentes y otros artículos electrónicos portátiles, etc.Se están realizando muchas investigaciones sobre baterías de litio con la mayor demanda de vehículos eléctricos para un rendimiento mucho mejor. Un parámetro importante que disminuye el rendimiento y la vida útil de la batería de litio es el desarrollo de una interfaz de electrolito sólido (SEI),esta es una capa sólida que se acumula dentro de la batería de litio cuando comenzamos a usarla. La formación de esta capa sólida bloquea el paso entre el electrolito y los electrodos afectando en gran medida el rendimiento de la batería. En este artículo, aprenderemos más sobre esta interfaz de electrolito sólido (SEI), sus propiedades, cómo se forma y también discutiremos cómo controlarla para aumentar el rendimiento y la vida útil de una batería de litio. Tenga en cuenta que algunas personas también denominan Interfaz de electrolitos sólidos como Interfase de electrolitos sólidos (SEI), ambos términos se usan indistintamente en artículos de investigación generales y, por lo tanto, es difícil discutir cuál es el término correcto. Por el bien de este artículo, nos ceñiremos a la interfaz de electrolitos sólidos.

Baterías de iones de litio:

Antes de profundizar en SEI, revisemos un poco los conceptos básicos de las células de iones de litio para comprender mejor el concepto. Si es completamente nuevo en los vehículos eléctricos, consulte este artículo Todo lo que desea saber sobre baterías de vehículos eléctricos para comprender las baterías de vehículos eléctricos antes de continuar.

Las baterías de iones de litio están compuestas por ánodo (electrodo negativo), cátodo (electrodo positivo), electrolito y separador.

Ánodo: Grafito, negro de humo, titanato de litio (LTO), silicio y grafeno son algunos de los materiales de ánodos más preferidos. Más comúnmente, grafito, recubierto con una lámina de cobre que se utiliza como ánodo. El papel del grafito es actuar como medio de almacenamiento de iones de litio. La intercalación reversible de los iones de litio liberados se puede realizar fácilmente en el grafito debido a su estructura de capas débilmente unidas.

Cátodo: El litio puro que tiene un electrón de cenefa en su capa exterior es altamente reactivo e inestable, por lo que el óxido de metal de litio estable, recubierto de papel de aluminio, se utiliza como cátodo. Óxidos de metal de litio como óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto ("NMC", LiNixMnyCozO2), óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio ("NCA", LiNiCoAlO2), óxido de litio y manganeso ("LMO", LiMn2O4), fosfato de litio y hierro ("LFP", LiFePO4), Como cátodos se utilizan óxido de litio y cobalto (LiCoO2, "LCO").

Electrolito: El electrolito entre los electrodos negativo y positivo debe ser un buen conductor iónico y un aislante electrónico, lo que significa que debe permitir los iones de litio y debe bloquear los electrones a través de él durante el proceso de carga y descarga. Un electrolito es una mezcla de disolventes de carbonato orgánico como el carbonato de etileno o el carbonato de dietilo y sales de iones de litio como el hexafluorofosfato de litio (LiPF6), el perclorato de litio (LiClO4), el hexafluoroarsenato de litio monohidrato (LiAsF6), el triflato de litio (LiCF3SO3) y tetrafluoroborato (LiBF4).

Separador: El separador es un componente crítico en el electrolito. Actúa como una capa aislante entre ánodo y cátodo para evitar el cortocircuito entre ellos al mismo tiempo que permite que los iones de litio del cátodo al ánodo y viceversa durante la carga y descarga. En las baterías de iones de litio se utiliza principalmente poliolefina como separador.

Charg

Durante el proceso de carga, cuando conectamos una fuente de alimentación a través de la batería, el átomo de litio energizado proporciona iones de litio y electrones en el electrodo positivo. Estos iones de litio pasan a través del electrolito y se almacenan en el electrodo negativo, mientras que los electrones viajan a través del circuito externo. Durante el proceso de descarga cuando conectamos la carga externa a través de la batería, los iones de litio inestables almacenados en el electrodo negativo viajan de regreso al óxido de metal en el electrodo positivo y los electrones circulan a través de la carga. Aquí, las láminas de aluminio y cobre actúan como colectores de corriente.

Formación SEI:

En las baterías de iones de litio, para la primera carga, la cantidad de iones de litio proporcionada por el electrodo positivo es menor que la cantidad de iones de litio que viajan de regreso al cátodo después de la primera descarga. Esto se debe a la formación de SEI (interfaz de electrolitos sólidos). Durante los primeros ciclos de carga y descarga, cuando el electrolito entra en contacto con el electrodo, los disolventes de un electrolito que van acompañados de iones de litio durante la carga reaccionan con el electrodo y comienzan a descomponerse. Esta descomposición da como resultado la formación de compuestos de LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Estos componentes precipitan sobre el electrodo y forman unas capas de unos pocos nanómetros de espesor llamadas interfaz de electrolito sólido (SEI) . Esta capa de pasivación protege el electrodo de la corrosión y un mayor consumo de electrolito, la formación de SEI se produce en dos etapas.

Etapas de la formación de SEI:

La primera etapa de la formación de SEI tiene lugar antes de la inclusión de los iones de litio en el ánodo. En esta etapa, se forma una capa de SEI inestable y altamente resistiva. La segunda etapa de formación de la capa SEI ocurre simultáneamente con la intercalación de iones de litio en el ánodo. La película SEI resultante es porosa, compacta, heterogénea, aislante de los electrones que forman túneles y conductora de los iones de litio. Una vez que se forma la capa SEI, resiste el movimiento del electrolito a través de la capa pasivante hasta el electrodo. De modo que controla la reacción adicional entre el electrolito y los iones de litio, los electrones en el electrodo y, por lo tanto, restringe el crecimiento adicional de SEI.

Importancia y efectos de SEI

La capa SEI es el componente más importante y menos comprendido del electrolito. Aunque el descubrimiento de la capa SEI es accidental, una capa SEI eficaz es importante para la larga vida útil, la buena capacidad de ciclismo, el alto rendimiento, la seguridad y la estabilidad de una batería. La formación de la capa SEI es una de las consideraciones importantes en el diseño de baterías para un mejor rendimiento. El SEI bien adherido en los electrodos mantiene una buena capacidad de ciclo al evitar un mayor consumo de electrolito. El ajuste adecuado de la porosidad y el grosor de la capa SEI mejora la conductividad de los iones de litio a través de ella, lo que da como resultado un mejor funcionamiento de la batería.

Durante la formación irreversible de la capa de SEI, una cierta cantidad de iones de litio y electrolitos se consumen permanentemente. Por tanto, el consumo de iones de litio durante la formación de SEI da como resultado una pérdida permanente de capacidad. Habrá un crecimiento de SEI con las muchas cargas y ciclos de descarga repetidos, lo que provoca el incremento en la impedancia de la batería, aumento de temperatura y baja densidad de potencia.

Propiedades funcionales de SEI

SEI es inevitable en una batería. sin embargo, el efecto de SEI se puede minimizar si la capa formada se adhiere a las siguientes

• Tiene que bloquear el contacto directo de los electrones con el electrolito porque el contacto entre los electrones de los electrodos y el electrolito provoca la degradación y reducción del electrolito.
• Tiene que ser un buen conductor iónico. Debe permitir que los iones de litio de un electrolito fluyan hacia los electrodos.
• Tiene que ser químicamente estable, lo que significa que no puede reaccionar con el electrolito y debe ser insoluble en el electrolito.
• Tiene que ser mecánicamente estable, lo que significa que debe tener una alta resistencia para tolerar las tensiones de expansión y contracción durante los ciclos de carga y descarga.
• Tiene que mantener la estabilidad a diversas temperaturas de funcionamiento y potenciales.
• Su grosor debe ser cercano a unos pocos nanómetros.

Control de SEI

La estabilización y el control del SEI son cruciales para mejorar el rendimiento y el funcionamiento seguro de la celda. Los revestimientos ALD (deposición de la capa atómica) y MLD (deposición de la capa molecular) en los electrodos controlan el crecimiento de SEI.

Al ₂ O ₃ (revestimiento ALD) con la banda prohibida de 9,9 eV revestida en los controles de electrodo y estabiliza el crecimiento de SEI debido a su lenta tasa de transferencia de electrones. Esto reducirá la descomposición del electrolito y el consumo de iones de litio. De la misma manera, el alcóxido de aluminio, uno de los recubrimientos MLD controla la formación de la capa de SEI. Estos recubrimientos ALD y MLD reducen la pérdida de capacidad, mejoran la eficiencia culómbica.