最近、リチウムイオン電池は、電気自動車、電源バックアップ、携帯電話、ラップトップ、スマートウォッチ、その他の携帯用電子製品などに広く使用されているため、注目を集めています。リチウムイオン電池については、需要が高まるにつれて多くの研究が行われています。はるかに優れた性能のための電気自動車。リチウム電池の性能と寿命を低下させる重要なパラメータの1つは、固体電解質界面（SEI）の開発です 。これは、リチウム電池を使い始めると、リチウム電池の内部に形成される固体層です。この固体層の形成は、電解質と電極の間の通過をブロックし、バッテリーの性能に大きな影響を与えます。この記事では、この固体電解質界面（SEI）、その特性、その形成方法について詳しく学び、リチウム電池の性能と寿命を延ばすためにそれを制御する方法についても説明します。固体電解質界面を固体電解質中間相（SEI）と呼ぶ人もいることに注意してください。どちらの用語も研究論文全体で同じ意味で使用されているため、どちらが正しい用語であるかを議論するのは困難です。この記事のために、固体電解質界面に固執します。
リチウムイオン電池：
SEIを深く掘り下げる前に、Li-ionセルの基本を少し修正して、概念をよりよく理解しましょう。電気自動車にまったく慣れていない場合は、先に進む前に、電気自動車のバッテリーについて知りたいことすべてをチェックして、EVバッテリーを理解してください。
リチウムイオン電池は、アノード（負極）、カソード（正極）、電解質、セパレーターで構成されています。
アノード：グラファイト、カーボンブラック、チタン酸リチウム（LTO）、シリコン、およびグラフェンは、最も好ましいアノード材料の一部です。最も一般的にはグラファイトで、アノードとして使用される銅箔にコーティングされています。グラファイトの役割は、リチウムイオンの貯蔵媒体として機能することです。遊離したリチウムイオンの可逆的インターカレーションは、グラファイトが緩く結合した層状構造であるため、グラファイト内で簡単に行うことができます。
陰極：外殻に1つの価電子を持つ純粋なリチウムは反応性が高く不安定であるため、陰極として使用されるアルミホイルにコーティングされた安定したリチウム金属酸化物。リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（「NMC」、LiNixMnyCozO2）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（「NCA」、LiNiCoAlO2）、リチウムマンガン酸化物（「LMO」、LiMn2O4）、リチウム鉄リン酸塩（「LFP」、LiFePO）などのリチウム金属酸化物）、コバルト酸リチウム（LiCoO2、「LCO」）がカソードとして使用されます。
電解質：負極と正極の間の電解質は、良好なイオン伝導体と電子絶縁体でなければなりません。つまり、リチウムイオンを許可し、充電および放電プロセス中にリチウムイオンを通過する電子をブロックする必要があります。電解質は、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機炭酸塩溶媒と、ヘキサフルオロリン酸リチウム（LiPF6）、過塩素酸リチウム（LiClO4）、ヘキサフルオロリン酸リチウム一水和物（LiAsF6）、三フッ化リチウム（LiCF3SO3）、リチウムなどのLiイオン塩の混合物です。テトラフルオロホウ酸塩（LiBF4）。
セパレーター：セパレーターは電解液の重要な成分です。これは、アノードとカソードの間の絶縁層として機能し、充電および放電中にカソードからアノードへ、またはその逆にリチウムイオンを許可しながら、それらの間の短絡を回避します。リチウムイオン電池では、主にポリオレフィンがセパレーターとして使用されます。
充電
充電プロセス中に、バッテリーの両端に電源を接続すると、通電されたリチウム原子が正極にリチウムイオンと電子を生成します。これらのリチウムイオンは電解質を通過して負極に蓄積され、電子は外部回路を通過します。バッテリーに外部負荷を接続する放電プロセス中に、負極に蓄積された不安定なリチウムイオンが正極の金属酸化物に戻り、電子が負荷を循環します。ここでは、アルミニウムと銅の箔が集電体として機能します。
SEI形成：
リチウムイオン電池では、最初の充電では、正極から与えられるリチウムイオンの量は、最初の放電後にカソードに戻るリチウムイオンの数よりも少なくなります。これは、SEI（固体電解質界面）の形成によるものです。最初の数回の充電と放電のサイクルでは、電解液が電極と接触すると、充電中にリチウムイオンを伴う電解液中の溶媒が電極と反応して分解を開始します。 LiFとリチウムの形成におけるこの分解結果2 O、LiClとのLi 2 CO 3の化合物。これらの成分は電極上に沈殿し、固体電解質界面（SEI）と呼ばれる数ナノメートルの厚さの層を形成します。 この不動態化層は、電極を腐食および電解質のさらなる消費から保護し、SEIの形成は2段階で発生します。
SEI形成の段階：
SEI形成の最初の段階は、リチウムイオンがアノードに含まれる前に行われます。この段階で、不安定で高抵抗のSEI層が形成されます。SEI層形成の第2段階は、アノードへのリチウムイオンの挿入と同時に発生します。得られたSEIフィルムは、多孔質、コンパクト、不均一で、電子トンネリングに対して絶縁性であり、リチウムイオンに対して導電性です。SEI層が形成されると、不動態化層を通って電極に至る電解質の移動に抵抗します。そのため、電解質とリチウムイオン、電極での電子との間のさらなる反応を制御し、したがって、さらなるSEIの成長を制限します。
SEIの重要性と影響
SEI層は、電解質の中で最も重要であまり理解されていない成分です。 SEI層の発見は偶然ですが、効果的なSEI層は、バッテリーの長寿命、優れたサイクリング能力、高性能、安全性、安定性にとって重要です。 SEI層の形成は、パフォーマンスを向上させるためのバッテリーの設計における重要な考慮事項の1つです。電極にしっかりと付着したSEIは、電解液のさらなる消費を防ぐことにより、良好なサイクル能力を維持します。 SEI層の多孔性と厚さを適切に調整すると、SEI層を通るリチウムイオンの伝導性が向上し、バッテリーの動作が向上します。
SEI層の不可逆的な形成中に、一定量の電解質とリチウムイオンが恒久的に消費されます。したがって、SEIの形成中にリチウムイオンが消費されると、容量が永久に失われます。充電と放電のサイクルが何度も繰り返されるとSEIが増加し、バッテリーのインピーダンスが増加し、温度が上昇し、電力密度が低下します。
SEIの機能特性
バッテリーではSEIは避けられません。ただし、形成された層が以下に付着している場合、SEIの影響を最小限に抑えることができます。
- 電極からの電子と電解質との接触は電解質の劣化と還元を引き起こすため、電子と電解質との直接接触をブロックする必要があります。
- それは良いイオン伝導体でなければなりません。電解質からのリチウムイオンが電極に流れるようにする必要があります
- それはである必要があり、化学的に安定な手段は、それが電解液と反応することはできませんし、電解液に不溶であるべきこと
- それはである必要があり、機械的に安定した 、それは充放電サイクル中に膨張収縮応力に耐える高い強度を持つべきであることを意味します。
- さまざまな動作温度と電位で安定性を維持する必要があります
- その厚さは数ナノメートルに近いはずです
SEIの管理
SEIの安定化と制御は、セルのパフォーマンスと安全な操作を改善するために重要です。電極上のALD（原子層堆積）およびMLD（分子層堆積）コーティングは、SEIの成長を制御します。
Al 2 O 3 9.9電子ボルトのバンドギャップを有する（ALDコーティングは）電極コントロール上に塗布し、その遅い電子移動速度にSEI成長を安定化させます。これにより、電解質の分解とリチウムイオンの消費が削減されます。同様に、アルミニウムアルコキシドは、MLDコーティングの1つがSEI層の蓄積を制御します。これらのALDおよびMLDコーティングは、容量損失を減らし、クーロン効率を向上させます。