요즘 리튬 이온 배터리는 전기 자동차, 전원 백업, 모바일, 노트북, 스마트 워치 및 기타 휴대용 전자 제품 등에 광범위하게 적용됨에 따라 더 많은 관심을 받고 있습니다. 훨씬 더 나은 성능을 위해 전기 자동차. 리튬 배터리의 성능과 수명을 감소시키는 중요한 매개 변수 중 하나는 고체 전해질 인터페이스 (SEI) 의 개발입니다. 이것은 우리가 사용하기 시작할 때 리튬 배터리 내부에 쌓이는 단단한 층입니다. 이 고체 층의 형성은 전해질과 전극 사이의 통로를 차단하여 배터리 성능에 큰 영향을 미칩니다. 이 기사에서는이 고체 전해질 인터페이스 (SEI), 그 특성, 형성 방법에 대해 자세히 알아보고 리튬 배터리의 성능과 수명 을 늘리기 위해 이를 제어하는 방법도 논의 할 것 입니다. 일부 사람들은 Solid Electrolyte Interface를 Solid Electrolyte Interphase (SEI) 라고도 부르며 , 두 용어 모두 전체 연구 논문에서 상호 교환 적으로 사용되므로 어떤 용어가 올바른지 논쟁하기 어렵습니다. 이 기사에서는 고체 전해질 인터페이스를 고수 할 것입니다.
리튬 이온 배터리:
SEI에 대해 자세히 알아보기 전에 개념을 더 잘 이해할 수 있도록 리튬 이온 셀의 기본 사항을 약간 수정 해 보겠습니다. 전기 자동차를 완전히 처음 접하는 경우 계속 진행하기 전에 전기 자동차 배터리에 대해 알고 싶은 모든 기사를 확인하여 EV 배터리를 이해하십시오.
리튬 이온 배터리는 양극 (음극), 음극 (양극), 전해질 및 분리막으로 구성 됩니다.
양극: 흑연, 카본 블랙, 리튬 티타 네이트 (LTO), 실리콘 및 그래 핀은 가장 선호되는 양극 재료 중 일부입니다. 양극으로 사용되는 구리 호일에 코팅 된 가장 일반적으로 흑연. 흑연의 역할은 리튬 이온의 저장 매체 역할을하는 것입니다. 느슨한 결합 된 층 구조로 인해 흑연에서 유리 된 리튬 이온의 가역적 삽입이 쉽게 수행 될 수 있습니다.
음극: 외피에 하나의 원자가 전자를 가진 순수 리튬은 반응성이 높고 불안정하여 알루미늄 호일에 코팅 된 안정적인 리튬 금속 산화물이 음극으로 사용됩니다. 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 ("NMC", LiNixMnyCozO2), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 ("NCA", LiNiCoAlO2), 리튬 망간 산화물 ("LMO", LiMn2O4), 리튬 철 인산염 ("LFP", LiFePO4)과 같은 리튬 금속 산화물), 리튬 코발트 산화물 (LiCoO2, "LCO")이 음극으로 사용됩니다.
전해질: 음극과 양극 사이의 전해질은 좋은 이온 전도체와 전자 절연체 여야합니다. 즉, 리튬 이온을 허용해야하고 충전 및 방전 과정에서이를 통해 전자를 차단해야합니다. 전해질은 에틸렌 카보네이트 또는 디 에틸 카보네이트와 같은 유기 카보네이트 용매와 헥사 플루오로 인산 리튬 (LiPF6), 과염소산 리튬 (LiClO4), 헥사 플루오로 비산 리튬 일 수화물 (LiAsF6), 리튬 트리 플레이트 (LiCF3SO3) 및 리튬과 같은 리튬 이온 염의 혼합물입니다. 테트라 플루오로 보레이트 (LiBF4).
분리기: 분리기는 전해질의 중요한 구성 요소입니다. 양극과 음극 사이의 절연 층 역할을하여 양극과 음극 사이의 단락을 방지하면서 리튬 이온이 음극에서 양극으로, 그리고 그 반대의 경우 충전 및 방전 중에 허용됩니다. 리튬 이온 배터리에서는 대부분 폴리올레핀이 분리막으로 사용됩니다.
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충전 과정에서 배터리에 전원을 연결하면 활성화 된 리튬 원자가 양극에 리튬 이온과 전자를 제공합니다. 이 리튬 이온은 전해질을 통과하여 음극에 저장되고 전자는 외부 회로를 통해 이동합니다. 방전 과정에서 배터리에 외부 부하를 연결하면 음극에 저장된 불안정한 리튬 이온이 양극의 금속 산화물로 다시 이동하고 전자가 부하를 통해 순환합니다. 여기서 알루미늄 및 구리 호일은 집 전체 역할을합니다.
SEI 형성:
리튬 이온 배터리에서 첫 번째 충전의 경우 양극에서 제공하는 리튬 이온 의 양은 첫 번째 방전 후 음극으로 다시 이동하는 리튬 이온의 수보다 적습니다. 이는 SEI (고체 전해질 인터페이스)의 형성 때문입니다. 처음 몇 번의 충전 및 방전 사이클 동안 전해질이 전극과 접촉하면 충전 중에 리튬 이온을 동반하는 전해질의 용매가 전극과 반응하여 분해되기 시작합니다. 이러한 분해로 인해 LiF, Li 2 O, LiCl, Li 2 CO 3 화합물이 형성됩니다. 이러한 구성 요소는 전극에 침전되어 SEI (Solid Electrolyte Interface) 라고하는 몇 나노 미터 두께의 층을 형성합니다 . 이 부동 태화 층은 부식과 전해질의 추가 소비로부터 전극을 보호하며 SEI의 형성은 두 단계로 발생합니다.
SEI 형성 단계:
SEI 형성 의 첫 번째 단계는 리튬 이온이 양극에 포함되기 전에 발생합니다. 이 단계에서 불안정하고 저항성이 높은 SEI 층이 형성됩니다. SEI 층 형성 의 두 번째 단계 는 양극에 리튬 이온의 삽입과 동시에 발생합니다. 생성 된 SEI 필름은 다공성이고, 콤팩트하며, 이질적이며, 전자 터널링에 절연되고 리튬 이온에 전도성입니다. SEI 층이 형성되면 패시 베이 팅 층을 통해 전극으로 전해질 이동에 저항합니다. 따라서 전해질과 리튬 이온 사이의 추가 반응, 전극의 전자를 제어하여 추가 SEI 성장을 제한합니다.
SEI의 중요성과 효과
SEI 층은 전해질에서 가장 중요하고 덜 이해되는 구성 요소입니다. SEI 레이어의 발견은 우연한 것이지만 효과적인 SEI 레이어는 배터리 의 긴 수명, 우수한 사이클링 능력, 고성능, 안전 및 안정성 을 위해 중요합니다. SEI 층의 형성은 더 나은 성능을위한 배터리 설계 에서 중요한 고려 사항 중 하나입니다. 전극에 잘 부착 된 SEI는 전해질의 추가 소비를 방지하여 우수한 사이클링 능력을 유지합니다. SEI 층의 다공성과 두께를 적절히 조정하면이를 통해 리튬 이온 전도도가 향상되어 배터리 작동이 개선됩니다.
SEI 층이 비가 역적으로 형성되는 동안 일정량의 전해질과 리튬 이온이 영구적으로 소모됩니다. 따라서 SEI를 형성하는 동안 리튬 이온이 소모되면 영구적 인 용량 손실이 발생합니다. 반복되는 충전 및 방전주기가 많으면 SEI가 증가하여 배터리 임피던스 증가, 온도 상승 및 낮은 전력 밀도가 발생합니다.
SEI의 기능적 특성
SEI는 배터리에서 불가피합니다. 그러나 형성된 층이 다음과 같은 경우에 SEI의 영향을 최소화 할 수 있습니다.
- 전극 의 전자와 전해액 이 접촉하면 전해액의 열화와 환원이 일어나므로 전자와 전해액의 직접 접촉 을 차단해야합니다.
- 좋은 이온 전도체 여야합니다. 전해질의 리튬 이온이 전극으로 흐르도록해야합니다.
- 그것은이어야 화학적으로 안정 수단은 전해액과 반응 할 수없고 전해질에 용해되어야한다는
- 그것은이어야 기계적으로 안정된 은 충전 및 방전 사이클 동안 팽창과 수축 응력을 견딜 수있는 높은 강도를 가지고 있어야 의미한다.
- 다양한 작동 온도와 전위에서 안정성을 유지해야합니다.
- 두께는 수 나노 미터에 가까워 야합니다.
SEI 제어
SEI의 안정화 및 제어는 셀의 성능 향상과 안전한 작동을 위해 중요합니다. 전극의 ALD (원자 층 증착) 및 MLD (분자 층 증착) 코팅은 SEI 성장을 제어합니다.
전극 제어에 9.9 eV의 밴드 갭이 코팅 된 Al 2 O 3 (ALD 코팅)는 느린 전자 전달 속도로 인해 SEI 성장을 안정화합니다. 이것은 전해질 분해와 리튬 이온 소비를 줄입니다. 같은 방식으로 알루미늄 알콕사이드, MLD 코팅 중 하나가 SEI 층 축적을 제어합니다. 이러한 ALD 및 MLD 코팅은 용량 손실을 줄이고 쿨롱 효율을 향상시킵니다.