بررسی الکتروشیمیایی تشکیل لایه SEI در فرایند فرماسیون آند گرافیت طبیعی در باتری لیتیوم- یون

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس تحقیقات باتری/ گروه ذخیره سازهای انرژی، پژوهشکده مکانیک، پژوهشگاه فضایی ایران، شیراز، ایران

2 مدیر گروه/ گروه ذخیره سازهای انرژی، پژوهشکده مکانیک، پژوهشگاه فضایی ایران، شیراز، ایران

3 ریاست پژوهشکده مکانیک/ پژوهشکده مکانیک، پژوهشگاه فضایی ایران، شیراز، ایران

چکیده

لایه فصل مشترک الکترولیتی جامد (SEI) یک فیلم سطحی است که از طریق تجزیه الکترولیت در باتری لیتیوم- یون روی سطح آند تشکیل می‌شود. درک صحیح از فرایند تشکیل لایه SEI در آندهای گرافیتی می‌تواند دید وسیع‌تری در خصوص غلبه بر چالش‌های مربوط به این آندها ایجاد کند که منجر به عملکرد شارژ/ دشارژ بهتر خواهد شد. در این پژوهش آزمون‌های ولتامتری چرخه‌ای، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و آزمون شارژ/ دشارژ متوالی برای سل سکه‌ای آند گرافیتی به‌کار گرفته شده است تا فهم دقیقی از فرایند تشکیل فیلم SEI روی سطح آند گرافیت به دست آید. نتایج آزمون ولتامتری چرخه‌ای نشان می‌دهد که بخش اعظم لایه SEI در چرخه اول تشکیل می‌گردد و با ادامه چرخه‌های ولتامتری لایه SEI به پایداری می‌رسد. بررسی‌های امپدانس الکتروشیمیایی نشان می‌دهد که مقاومت انتقال بار (Rct) آند گرافیت پس از چرخه‌های الکتروشیمیایی از Ω122 به Ω 5/28 کاهش یافته است که این موضوع نشان‌دهنده تسهیل فرایند انتقال بار پس از تشکیل لایه SEI می‌باشد. نتایج آزمون شارژ/ دشارژ متوالی سل سکه‌ای آند گرافیت نیز نشان می‌دهد که مقدار ظرفیت غیربرگشت‌پذیر در چرخه اول (که صرف تشکیل لایه SEI شده) به مراتب بیشتر از مقدار ظرفیت غیربرگشت‌پذیر در چرخه‌های بعدی است. با توجه به آن‌که پس از چرخه دوم، لایه SEI تقریباً به پایداری رسیده است، می‌توان گفت روش فرماسیون یک سل لیتیوم- یونی با آند گرافیت می‌تواند در دو چرخه شارژ/ دشارژ انجام پذیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]           V. Etacheri, R. Marom, R. Elazari, G. Salitra, and D. Aurbach, "Challenges in the development of advanced Li-ion batteries: a review," Energy & Environmental Science, vol. 4, no. 9, pp. 3243-3262, 2011.

[2]           M. Sarshar, M. Zarei-Jelyani, and M. Babaiee, "Application of semi empirical and Multiphysics models in simulating lithium ion battery operation," presented at the 10th International Chemical Engineering Congress and Exhibition (IChEC 2018), Isfahan, Iran, 2018.

[3]           R. Zhang et al., "Water soluble styrene butadiene rubber and sodium carboxyl methyl cellulose binder for ZnFe2O4 anode electrodes in lithium ion batteries," Journal of Power Sources, vol. 285, pp. 227-234, 2015.

[4]           B. L. Ellis, K. Town, and L. F. Nazar, "New composite materials for lithium-ion batteries," Electrochimica Acta, vol. 84, pp. 145-154, 2012.

[5]           M. M. Loghavi, M. Mohammadi-Manesh, R. Eqra, A. Ghasemi, and M. Babaiee, "DFT Study of Adsorption of Lithium on Si, Ge-doped Divacancy Defected Graphene as Anode Material of Li-ion Battery," Physical Chemistry Research, vol. 6, no. 4, pp. 871- 878, 2018.

[6]           I. Stenina, T. Kulova, A. Skundin, and A. Yaroslavtsev, "CARBON COMPOSITES AS ANODE MATERIALS FOR LITHIUM-ION BATTERIES," Reviews on Advanced Materials Science, vol. 49, no. 2, 2017.

[7]           M. Yoshio, H. Wang, K. Fukuda, T. Umeno, T. Abe, and Z. Ogumi, "Improvement of natural graphite as a lithium-ion battery anode material, from raw flake to carbon-coated sphere," Journal of Materials Chemistry, vol. 14, no. 11, pp. 1754-1758, 2004.

[8]           V. Sharova, A. Moretti, G. A. Giffin, D. V. Carvalho, and S. Passerini, "Evaluation of Carbon-Coated Graphite as a Negative Electrode Material for Li-Ion Batteries," C, vol. 3, no. 3, p. 22, 2017.

[9]           J. J. Wu and W. R. Bennett, "Fundamental investigation of Si anode in Li-ion cells," in Energytech, 2012 IEEE, 2012, pp. 1-5: IEEE.

[10]         K. Edström, M. Herstedt, and D. P. Abraham, "A new look at the solid electrolyte interphase on graphite anodes in Li-ion batteries," Journal of Power Sources, vol. 153, no. 2, pp. 380-384, 2006.

[11]         A. Smith, J. C. Burns, X. Zhao, D. Xiong, and J. Dahn, "A high precision coulometry study of the SEI growth in Li/graphite cells," Journal of The Electrochemical Society, vol. 158, no. 5, pp. A447-A452, 2011.

[12]         M. D. Bhatt and C. O'Dwyer, "Recent progress in theoretical and computational investigations of Li-ion battery materials and electrolytes," Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 17, no. 7, pp. 4799-4844, 2015.

[13]         E. Kamali-Heidari, A. Kamyabi-Gol, and A. Ataie, "Electrode Materials for Lithium Ion Batteries: A Review," Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials, vol. 51, no. 1, pp. 1-12, 2018.

[14]         M.-K. Song, S. Park, F. M. Alamgir, J. Cho, and M. Liu, "Nanostructured electrodes for lithium-ion and lithium-air batteries: the latest developments, challenges, and perspectives," Materials Science and Engineering: R: Reports, vol. 72, no. 11, pp. 203-252, 2011.

[15]         Y. M. Lee, J. Y. Lee, H.-T. Shim, J. K. Lee, and J.-K. Park, "SEI layer formation on amorphous Si thin electrode during precycling," Journal of The Electrochemical Society, vol. 154, no. 6, pp. A515-A519, 2007.

[16]               W. Chen, Z. Ou, H. Tang, H. Wang, and Y. Yang, "Study of the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) in ionically crosslinked polyampholytic gel electrolytes," Electrochimica Acta, vol. 53, no. 13, pp. 4414-4419, 2008.