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SEI對鋰電池的影響分析

鉅大LARGE  |  點擊量:934次  |  2018年09月30日  

薄薄的一層膜竟然能起到這么大的作用?

固體電解質(zhì)界面膜的前世今生

SEI英文全稱是SolidElectrolyteInterphase,也就是大家常說的固體電解質(zhì)界面膜。

SEI是如何形成的?

鋰離子電池在首次充放電時,電解液中少量極性非質(zhì)子溶劑在得到部分電子后發(fā)生還原反應(yīng),與鋰離子結(jié)合反應(yīng)生成一種厚度約100-120nm的界面膜,這個膜就是SEI。SEI通常形成于電極材料與電解液之間的固液相界面。

當(dāng)鋰離子電池開始充放電時鋰離子從正極活物質(zhì)中脫出,進入電解液穿透隔膜再進入電解液,最后再嵌入負(fù)極碳材料的層狀空隙中,鋰離子完成一個完整的脫嵌行為。此時,電子從正極沿外端回路出來,進入負(fù)極碳材料中。電子、電解液中溶劑及鋰離子間發(fā)生氧化還原反應(yīng),溶劑分子接收電子后與鋰離子結(jié)合形成SEI并生成H2、CO、CH2=CH2等氣體。隨著SEI厚度增大,直到電子無法穿透,則形成了鈍化層,抑制了氧化還原反應(yīng)的繼續(xù)。

SEI的成分是什么?

SEI厚度約100-120nm,其成分隨電解液成分的不同而不同,一般由Li2O、LiF、LiCl、Li2CO3、LiCO2-R、醇鹽和非導(dǎo)電聚合物組成,是多層結(jié)構(gòu),靠近電解液的一面是多孔的,靠近電極的一面是致密的。

SEI對鋰電池的影響?

SEI的作用要從其本身的特征來進行分析,其特點是:

①SEI是電極材料與電解液中間的一個界面層,將兩者分隔開來。

②具有固體電解質(zhì)的特征;

③Li+可以順利通過(鋰離子優(yōu)良導(dǎo)體),而電子卻無法通過。

SEI對碳負(fù)極鋰離子電池的性能有著重要的影響。

第一、SEI于首次充放電間完成,形成伴隨部分鋰離子的消耗,鋰離子被消耗造成的就是電池不可逆容量的增加,就降低了電極材料的充放電效率;第二、SEI膜具有有機溶劑不溶性,在有機電解質(zhì)溶液中能穩(wěn)定存在。部分電解液中有PC存在,PC容易共嵌入負(fù)極材料對電極材料造成破壞,而如果能在電解液中添加合適的外加劑促使SEI形成,則能有效防止溶劑分子的共嵌入,避免了因溶劑分子共嵌入對電極材料造成的破壞,因而大大提高了電極的循環(huán)性能和使用壽命。第三、SEI允許鋰離子通過而禁止電子通過,一方面保證了搖椅式充放電循環(huán)的持續(xù),另一方面阻礙了鋰離子的進一步消耗,提高了電池的使用壽命。

SEI的形成受哪些因素的影響

SEI的形成主要受電解液成(Li鹽、溶劑、外加劑等)、化成(首次充放電)電流大小、溫度等因素的影響。

一、電解液成分的影響。Li鹽、溶劑成分的不同,導(dǎo)致SEI成分各異,其產(chǎn)物的穩(wěn)定性也就不同。

二、化成電流的影響?;沙潆婋娏鬏^大時,高電位無機成分先形成,其次發(fā)生鋰離子的插入,最后才是有機成分的形成?;呻娏鬏^小時,SEI膜的有機成分則很快開始形成。

三、鋰離子電池在-20℃下化成形成的SEI致密性很好且具有較低的阻抗,非常有利于電池的使用壽命。過高的溫度會降低SEI的穩(wěn)定性,影響電池循環(huán)壽命。

此外,SEI的厚度還受負(fù)極材料種類的影響。

SEI在鋰電池?zé)崾Э叵碌姆磻?yīng)

SEI由兩層物質(zhì)構(gòu)成,內(nèi)層主要成分是Li2CO3,而其外層主要成分是烷基碳酸鋰如(CH2OCOLi)2等。當(dāng)電池內(nèi)部溫度為80-120℃時,外層逐漸發(fā)生分解,放出熱量生成氣體,反應(yīng)方程式如下。在SEI熱解反應(yīng)中,其反應(yīng)溫度和放熱量與鋰鹽種類、溶劑組成、負(fù)極活物質(zhì)及電池循環(huán)次數(shù)有關(guān)。

(CH2OCOLi)2→Li2CO3+CH2=CH2+1/2O2+CO2

Li+(CH2OCOLi)2→2Li2CO3+CH2=CH2

正極有沒有SEI呢?

最新研究表明,在正極電極材料與電解液的固液界面上也有膜形成,膜的厚度比負(fù)極SEI膜要薄很多,約為1-2個納米。由于正極材料電勢較高,有機電解液的還原產(chǎn)物很不穩(wěn)定,而無機產(chǎn)物如LiF則能夠穩(wěn)定存在,成為正極SEI膜的主要成分。

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