電池SEI的產(chǎn)生對鋰離子電池的電化學性能有著重大影響。一方面，電池SEI的形成消耗了部分鋰離子，這增加了第一次充電和放電的不可逆容量，并降低了電極材料的充電和放電效率。

電池SEI不溶于有機溶劑。那么，如此重要的電池SEI究竟是什么呢？為什么鋰離子電池陽極表面會產(chǎn)生電池SEI？電池SEI生成的具體步驟是什么？發(fā)電電池SEI的具體結(jié)構(gòu)是什么？這篇文章將幫助你理解。

 

1.什么是電池SEI

在液體鋰離子電池的第一次充電和放電過程中，電解質(zhì)在電極的固液界面發(fā)生反應，形成覆蓋電極材料表面的鈍化層。

 

 

該鈍化層是一種界面層，具有固體電解質(zhì)、電子絕緣體的特性，但卻是鋰離子的優(yōu)良導體。鋰離子可以通過這個鈍化層自由嵌入和去除，因此這個鈍化層被稱為固體電解質(zhì)界面，簡稱電池SEI。

 

2.為什么在陽極上形成電池SEI

我們使用分子軌道理論來解釋電池SEI的形成，這是十大鋰離子電池陽極材料公司長期以來一直在研究的問題。首先弄清楚HOMO、LUMO和費米能級是什么。HOMO和LUMO分別指最高被占據(jù)的分子軌道和最低未被占用的分子軌道。

根據(jù)正向線軌道理論，這兩者統(tǒng)稱為正向線軌道，正向線軌道中的電子稱為正向線電子。

 

● 前線軌道理論

鉬中存在與單個原子的“價電子”相似的電子

 

 

HOMO是指其自身電子占據(jù)的最高能級軌道，HOMO越高，其對自身電子的約束力越弱，越容易失去電子。

 

● 費米能級

費米能級是電子在絕對零度時可以占據(jù)的最高能級，每個能級可以放置兩個自旋相反的電子。現(xiàn)在假設我們從這些量子態(tài)中移除所有的費米子。

然后，這些費米子根據(jù)某些規(guī)則被填充到每個被占用的量子態(tài)中，并且在填充過程中，每個費米子占據(jù)最低的被占用量子態(tài)。最后一個費米子所占據(jù)的量子態(tài)可以大致理解為費米能級。

也就是說，想象你有一袋蘋果（電子），面前有一個長樓梯（能量帶），然后你從最底層的臺階（能級）向上走。每一步（能級），將兩個蘋果（電子）放在這一步的頂部，并繼續(xù)進行，直到完成。你現(xiàn)在所處的舞臺

 

 

以lifepo4電池的石墨陽極為例，在開始形成之前，石墨的電勢位于電解質(zhì)的電化學穩(wěn)定窗口之間，因此陽極處不會產(chǎn)生電池SEI。

在形成之初，鋰離子被外部電壓驅(qū)動到負表面。此時，鋰離子電勢非常負，并且在電解質(zhì)的電化學穩(wěn)定性窗口之外，因此產(chǎn)生電池SEI的反應將開始。

 

4.電池SEI生成的具體步驟

鋰離子電池形成過程中的SEI電池形成過程由四個步驟組成：

電子從集電體導電劑陽極材料顆粒轉(zhuǎn)移到要形成的SEI電池。

溶劑化的鋰離子在溶劑的封裝下從陰極擴散到發(fā)電電池SEI的表面。

電子通過電子隧穿效應擴散。

 

 

同時，由于價電子所做的功和電流產(chǎn)生的焦耳熱，載流子定向運動產(chǎn)生的霍爾電場也增加了價電子的能態(tài)。在三個因素的影響下，絕緣層的價電子能態(tài)增加，局部態(tài)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，從而參與電流的攜帶。

在整個形成過程中，內(nèi)部無機層繼續(xù)生長并保持粗糙的界面，而外部有機層保持多孔的結(jié)構(gòu)特征。因此，SEI電池的初始形成分為兩個過程：

電解質(zhì)在電極表面分解，形成具有無機物質(zhì)內(nèi)層和有機物質(zhì)外層的雙層多孔SEI電池。

電解質(zhì)穿透電池SEI的孔隙并繼續(xù)分解，使得電池SEI繼續(xù)生長。

 

 

另一方面，它假設每個組分構(gòu)成純微相，并且電池SEI是不同微相的鑲嵌組件。如下圖所示，內(nèi)層主要是高密度無機層，外層主要是低密度有機層。

當生成完整的電池SEI時，對于鑲嵌模型，認為陽極充電過程可以在微觀水平上分為四個順序步驟。

溶解的鋰離子擴散到電解質(zhì)中。

鋰離子通過破壞溶劑化的殼層而被解溶。

Li離子在電池SEI上擴散。

鋰離子在陽極材料中的擴散，伴隨著陽極材料晶格的電子轉(zhuǎn)移和重排。

 

6.結(jié)論

覆蓋電極材料表面的無源層是電池SEI。它可以在有機電解質(zhì)溶液中穩(wěn)定，并且溶劑分子不能通過該層鈍化，這可以有效地防止溶劑分子的共包埋。它避免了溶劑分子共同嵌入電極材料中造成的損壞，從而大大提高了鋰離子電池的循環(huán)性能和使用壽命。