Comprendre l'interface d'électrolyte solide (SEI) pour améliorer les performances de la batterie lithium-ion

Ces jours-ci, les batteries au lithium-ion gagnent plus d'attention en raison de leur application répandue dans les véhicules électriques, les sauvegardes d'énergie, les mobiles, les ordinateurs portables, les montres intelligentes et autres appareils électroniques portables, etc., de nombreuses recherches sont en cours sur les batteries au lithium avec une demande accrue véhicules électriques pour de bien meilleures performances. Un paramètre important qui diminue les performances et la durée de vie de la batterie au lithium est le développement d'une interface d'électrolyte solide (SEI),c'est une couche solide qui se forme à l'intérieur de la batterie au lithium lorsque nous commençons à l'utiliser. La formation de cette couche solide bloque le passage entre l'électrolyte et les électrodes affectant fortement les performances de la batterie. Dans cet article, nous en apprendrons plus sur cette interface à électrolyte solide (SEI), ses propriétés, comment elle se forme et discuterons également de la façon de la contrôler pour augmenter les performances et la durée de vie d'une batterie au lithium. Notez que certaines personnes ont également appelé l'interface d' électrolyte solide comme Interphase d'électrolyte solide (SEI), les deux termes sont utilisés de manière interchangeable dans l'ensemble des documents de recherche et il est donc difficile de discuter du terme correct. Pour le bien de cet article, nous nous en tiendrons à l'interface électrolyte solide.

Batteries lithium-ion:

Avant de plonger dans SEI, revoyons un peu les bases des cellules Li-ion afin de mieux comprendre le concept. Si vous êtes complètement nouveau dans les véhicules électriques, cochez cet article Tout ce que vous voulez savoir sur les batteries pour véhicules électriques pour comprendre les batteries EV avant de continuer.

Les batteries lithium-ion sont constituées d'une anode (électrode négative), d'une cathode (électrode positive), d'un électrolyte et d'un séparateur.

Anode: le graphite, le noir de carbone, le titanate de lithium (LTO), le silicium et le graphène sont parmi les matériaux d'anode les plus préférés. Le plus souvent du graphite, recouvert d'une feuille de cuivre utilisée comme anode. Le rôle du graphite est d'agir comme un support de stockage des ions lithium. L'intercalation réversible des ions lithium libérés peut être facilement réalisée dans le graphite en raison de sa structure en couches faiblement liée.

Cathode: Le lithium pur ayant un électron de valance sur sa coque externe est très réactif et instable, de sorte que l'oxyde métallique de lithium stable, enduit sur une feuille d'aluminium utilisée comme cathode. Oxydes de lithium-métal comme l'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt ("NMC", LiNixMnyCozO2), oxyde de lithium-nickel-cobalt d'aluminium ("NCA", LiNiCoAlO2), oxyde de lithium-manganèse ("LMO", LiMn2O4), phosphate de fer lithium ("LFP", LiFePO4)), L'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2, "LCO") sont utilisés comme cathodes.

Électrolyte: L' électrolyte entre les électrodes négative et positive doit être un bon conducteur ionique et un isolant électronique, ce qui signifie qu'il doit laisser passer les ions lithium et doit bloquer les électrons à travers lui pendant le processus de charge et de décharge. un électrolyte est un mélange de solvants de carbonate organique tels que le carbonate d'éthylène ou le carbonate de diéthyle et de sels Li-ion tels que l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), le perchlorate de lithium (LiClO4), l'hexafluoroarsénate de lithium monohydraté (LiAsF6), le triflate de lithium (LiCF3SO3) et le lithium tétrafluoroborate (LiBF4).

Séparateur: Le séparateur est un composant essentiel de l'électrolyte. Il agit comme une couche isolante entre l'anode et la cathode pour éviter le court-circuit entre elles tout en laissant passer les ions lithium de la cathode à l'anode et vice versa lors de la charge et de la décharge. Dans les batteries lithium-ion, la polyoléfine est principalement utilisée comme séparateur.

Charg

Pendant le processus de charge, lorsque nous connectons une source d'alimentation à travers la batterie, l'atome de lithium sous tension donne des ions de lithium et des électrons à l'électrode positive. Ces ions Li traversent l'électrolyte et sont stockés dans l'électrode négative, tandis que les électrons traversent le circuit externe. Pendant le processus de décharge, lorsque nous connectons une charge externe à travers la batterie, les ions Li instables stockés dans l'électrode négative retournent à l'oxyde métallique au niveau de l'électrode positive et les électrons circulent à travers la charge. Ici, les feuilles d'aluminium et de cuivre agissent comme des collecteurs de courant.

Formation SEI:

Dans les batteries Li-ion, pour la première charge, la quantité de lithium-ion donnée par l'électrode positive est inférieure au nombre d'ions lithium ramenés à la cathode après la première décharge. Cela est dû à la formation de SEI (interface d'électrolyte solide). Pendant les premiers cycles de charge et de décharge, lorsque l'électrolyte entre en contact avec l'électrode, les solvants dans un électrolyte qui sont accompagnés des ions lithium pendant la charge réagissent avec l'électrode et commencent à se décomposer. Cette décomposition conduit à la formation de composés LiF, Li ₂ O, LiCl, Li ₂ CO ₃. Ces composants précipitent sur l'électrode et forment quelques couches épaisses de quelques nanomètres appelées interface d'électrolyte solide (SEI) . Cette couche de passivation protège l'électrode de la corrosion et de la consommation supplémentaire d'électrolyte, la formation de SEI se produit en deux étapes.

Étapes de la formation SEI:

La première étape de formation de SEI a lieu avant l'inclusion des ions lithium dans l'anode. A ce stade, une couche SEI instable et hautement résistive se forme. La deuxième étape de la formation de la couche SEI se produit simultanément avec l'intercalation des ions lithium sur l'anode. Le film SEI résultant est poreux, compact, hétérogène, isolant aux électrons tunnel et conducteur pour les ions lithium. Une fois que la couche SEI se forme, elle résiste au mouvement d'électrolyte à travers la couche de passivation jusqu'à l'électrode. De sorte qu'il contrôle la réaction ultérieure entre l'électrolyte et les ions lithium, les électrons à l'électrode et restreint ainsi la croissance ultérieure de SEI.

Importance et effets de SEI

La couche SEI est le composant le plus important et le moins compris de l'électrolyte. Bien que la découverte de la couche SEI soit accidentelle, une couche SEI efficace est importante pour la longue durée de vie, la bonne capacité de cyclage, les hautes performances, la sécurité et la stabilité d'une batterie. La formation de la couche SEI est l'une des considérations importantes dans la conception de batteries pour de meilleures performances. Le SEI bien adhérent sur les électrodes maintient une bonne capacité de cyclage en empêchant une consommation supplémentaire de l'électrolyte. Le bon réglage de la porosité et de l'épaisseur de la couche SEI améliore la conductivité des ions lithium à travers elle, se traduit par un meilleur fonctionnement de la batterie.

Lors de la formation irréversible de la couche SEI, une certaine quantité d'électrolyte et d'ions lithium est consommée en permanence. Ainsi, la consommation d'ions lithium lors de la formation de SEI se traduit par une perte permanente de capacité. Il y aura une croissance SEI avec les nombreux cycles de charge et de décharge répétés, ce qui provoque l'augmentation de l'impédance de la batterie, l'élévation de la température et une faible densité de puissance.

Propriétés fonctionnelles de SEI

SEI est incontournable dans une batterie. cependant, l'effet de SEI peut être minimisé si la couche formée adhère au suivant

Il doit bloquer le contact direct des électrons avec l'électrolyte car le contact entre les électrons des électrodes et l'électrolyte provoque une dégradation et une réduction de l'électrolyte.
Ce doit être un bon conducteur ionique. Il doit permettre aux ions lithium d'un électrolyte de s'écouler vers les électrodes
Il doit être chimiquement stable, ce qui signifie qu'il ne peut pas réagir avec l'électrolyte et doit être insoluble dans l'électrolyte
Il doit être mécaniquement stable, ce qui signifie qu'il doit avoir une résistance élevée pour tolérer les contraintes d'expansion et de contraction pendant les cycles de charge et de décharge.
Il doit maintenir la stabilité à différentes températures et potentiels de fonctionnement
Son épaisseur devrait être proche de quelques nanomètres

Contrôle de SEI

La stabilisation et le contrôle du SEI sont essentiels pour l'amélioration des performances et le fonctionnement sûr de la cellule. Les revêtements ALD (dépôt de couche atomique) et MLD (dépôt de couche moléculaire) sur les électrodes contrôlent la croissance SEI.

Al ₂ O ₃ (revêtement ALD) avec la bande interdite de 9,9 eV appliquée sur l'électrode contrôle et stabilise la croissance SEI en raison de sa faible vitesse de transfert d'électrons. Cela réduira la décomposition de l'électrolyte et la consommation de Li-ion. De la même manière, l'alcoolate d'aluminium, l'un des revêtements MLD contrôle l'accumulation de la couche SEI. Ces revêtements ALD et MLD réduisent la perte de capacité, améliorent l'efficacité coulombique.