薄薄的一層膜竟然能起到這么大的作用?

固體電解質界面膜的前世今生

SEI英文全稱是SolidElectrolyteInterphase，也就是大家常說的固體電解質界面膜。

SEI是如何形成的?

鋰離子電池在首次充放電時，電解液中少量極性非質子溶劑在得到部分電子后發(fā)生還原反應，與鋰離子結合反應生成一種厚度約100-120nm的界面膜，這個膜就是SEI。SEI通常形成于電極材料與電解液之間的固液相界面。

當鋰離子電池開始充放電時鋰離子從正極活物質中脫出，進入電解液穿透隔膜再進入電解液，最后再嵌入負極碳材料的層狀空隙中，鋰離子完成一個完整的脫嵌行為。此時，電子從正極沿外端回路出來，進入負極碳材料中。電子、電解液中溶劑及鋰離子間發(fā)生氧化還原反應，溶劑分子接收電子后與鋰離子結合形成SEI并生成H2、CO、CH2=CH2等氣體。隨著SEI厚度增大，直到電子無法穿透，則形成了鈍化層，抑制了氧化還原反應的繼續(xù)。

SEI的成分是什么?

SEI厚度約100-120nm，其成分隨電解液成分的不同而不同，一般由Li2O、LiF、LiCl、Li2CO3、LiCO2-R、醇鹽和非導電聚合物組成，是多層結構，靠近電解液的一面是多孔的，靠近電極的一面是致密的。

SEI對鋰電池的影響?

SEI的作用要從其本身的特征來進行分析，其特點是：

①SEI是電極材料與電解液中間的一個界面層，將兩者分隔開來。

②具有固體電解質的特征;

③Li+可以順利通過(鋰離子優(yōu)良導體)，而電子卻無法通過。

SEI對碳負極鋰離子電池的性能有著重要的影響。

第一、SEI于首次充放電間完成，形成伴隨部分鋰離子的消耗，鋰離子被消耗造成的就是電池不可逆容量的增加，就降低了電極材料的充放電效率;第二、SEI膜具有有機溶劑不溶性，在有機電解質溶液中能穩(wěn)定存在。部分電解液中有PC存在，PC容易共嵌入負極材料對電極材料造成破壞，而如果能在電解液中添加合適的外加劑促使SEI形成，則能有效防止溶劑分子的共嵌入，避免了因溶劑分子共嵌入對電極材料造成的破壞，因而大大提高了電極的循環(huán)性能和使用壽命。第三、SEI允許鋰離子通過而禁止電子通過，一方面保證了搖椅式充放電循環(huán)的持續(xù)，另一方面阻礙了鋰離子的進一步消耗，提高了電池的使用壽命。

SEI的形成受哪些因素的影響

SEI的形成主要受電解液成(Li鹽、溶劑、外加劑等)、化成(首次充放電)電流大小、溫度等因素的影響。

一、電解液成分的影響。Li鹽、溶劑成分的不同，導致SEI成分各異，其產(chǎn)物的穩(wěn)定性也就不同。

二、化成電流的影響?；沙潆婋娏鬏^大時，高電位無機成分先形成，其次發(fā)生鋰離子的插入，最后才是有機成分的形成?；呻娏鬏^小時，SEI膜的有機成分則很快開始形成。

三、鋰離子電池在-20℃下化成形成的SEI致密性很好且具有較低的阻抗，非常有利于電池的使用壽命。過高的溫度會降低SEI的穩(wěn)定性，影響電池循環(huán)壽命。

此外，SEI的厚度還受負極材料種類的影響。

SEI在鋰電池熱失控下的反應

SEI由兩層物質構成，內層主要成分是Li2CO3，而其外層主要成分是烷基碳酸鋰如(CH2OCOLi)2等。當電池內部溫度為80-120℃時，外層逐漸發(fā)生分解，放出熱量生成氣體，反應方程式如下。在SEI熱解反應中，其反應溫度和放熱量與鋰鹽種類、溶劑組成、負極活物質及電池循環(huán)次數(shù)有關。

(CH2OCOLi)2→Li2CO3+CH2=CH2+1/2O2+CO2

Li+(CH2OCOLi)2→2Li2CO3+CH2=CH2

正極有沒有SEI呢?

最新研究表明，在正極電極材料與電解液的固液界面上也有膜形成，膜的厚度比負極SEI膜要薄很多，約為1-2個納米。由于正極材料電勢較高，有機電解液的還原產(chǎn)物很不穩(wěn)定，而無機產(chǎn)物如LiF則能夠穩(wěn)定存在，成為正極SEI膜的主要成分。