Anioner og opløsningsmidler styrer kernedannelse og vækst af den faste elektrolyt-interfase

Batterier oplades og genoplades - tilsyneladende alt sammen takket være et perfekt samspil mellem elektrodemateriale og elektrolyt. Imidlertid, for ideel batterifunktion, den faste elektrolyt-interfase (SEI) spiller en afgørende rolle. Materialeforskere har nu studeret nukleation og vækst af dette lag i atomare detaljer. Ifølge undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie , egenskaberne af anioner og opløsningsmiddelmolekyler skal være velafbalancerede.

I lithium-ion-batterier, SEI-formularerne i begyndelsen af ​​den første opladningsproces, når et potentiale anvendes. Elementer fra elektrolytten aflejres på grafitelektroden og danner en belægning, der snart dækker hele elektroden. Først efter at dette lag er afsluttet, kan de positive lithium-ioner interkalere i elektroden uden at eksfoliere elektrodematerialet.

Qiang Zhang og kolleger ved Tsinghua University, Beijing, Kina, har nu set nærmere på kernedannelsen og væksten af ​​SEI. Elektrolytten i lithium-ion-batterier indeholder lithiumsalt og et opløsningsmiddel. Stærkt opløselige opløsningsmidler omslutter lithiumionen, og anionerne flyder frit. I modsætning, svagt solvaterende elektrolytter muliggør en tættere binding af anionerne til lithium-ionen. Her, anionerne forbliver en del af den indre solvatiseringsskal.

Denne indre solvatiseringsskal skal fjernes fra lithiumet for at tillade SEI-dannelse og vækst. Forskerne viste, at anionerne i den indre skal først adsorberede ved den friske elektrode og derefter optog to elektroner i en elektrokemisk reaktion. Denne sidstnævnte begivenhed udløste nedbrydning og kernedannelse af SEI. Forfatterne konkluderede, at SEI-dannelse hovedsageligt afhang af, hvor let anionerne kan fange elektroner og nedbrydes sammenlignet med opløsningsmidlet.

Forskerne brugte elektrokemiske teknikker og atomkraftmikroskopi til at undersøge krystalvæksten indtil lagets afslutning. De fandt ud af, at der kun dannedes et glat lag ved lave overpotentialer. Opløsningsmidlet påvirkede også overpotentialet. Forfatterne bemærkede også, at opløsningsmidler med høj affinitet til det krystallinske lag overhovedet ikke gav noget overpotentiale.

De konkluderede, at fremtidige designs af højtydende elektroder burde fokusere mere på samspillet mellem de negative ioner af lithiumsaltet og opløsningsmidlet. For at tillade en homogen uorganisk, krystallinsk SEI, der skal dannes, anionerne skulle udkonkurrere opløsningsmidlet; de skulle lettere adsorbere til elektrodeoverfladen og foretage elektrokemiske reaktioner. Ud over, nedbrydningsprodukterne skal være faste og uopløselige, men stadig vise en vis affinitet til opløsningsmidlet, sagde forfatterne.