​SEI膜的成膜机理及影响因素

导读：什么是SEI膜？SEI膜的成膜机理及影响因素又是什么？

SEI膜

在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+ 的优良导体,Li+ 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface) ,简称SEI 膜。

SEI膜的成膜机理—锂金属电池

早期,人们对锂金属电池研究较多。对于锂金属电池负极上的钝化膜,一般认为是极其活泼的金属Li与电解液中的阴离子反应,反应产物(大多不溶) 在金属锂表面沉积下来,形成一层足够厚的、能够阻止电子通过的钝化膜。典型的反应式有:

PC + 2 e - + 2Li+ →CH3CH(OCO2Li)

CH2 (OCO2Li) ↓+ CH3CH=CH2 ↑

2EC + 2 e - + 2Li+ →(CH2OCO2Li) 2 ↓+

CH2 =CH2 ↑

虽然该钝化膜也不足以阻止锂枝晶在充放电过程中的聚集,然而其研究结果对锂离子电池的机理研究有极其重要的指导意义。

SEI膜的成膜机理—锂离子电池

锂离子电池一般用碳材料(主要是石墨) 作负极,在SEI 膜形成的过程中,负极表面所发生的反应与金属锂负极相类似。Aurbach等认为可能的反应是由EC、DMC、痕量水分及HF等与Li+反应形成(CH2OCO2Li)2 、LiCH2CH2OCO2Li 、CH3OCO2Li 、LiOH、Li2CO3 、LiF等覆盖在负极表面构成SEI膜,同时产生乙烯、氢气、一氧化碳等气体。主要的化学反应如下(电解液以EC/DMC + 1mol/L LiPF6 为例) :

2EC + 2e - + 2Li + →(CH2OCO2Li)2 ↓+

CH2=CH2 ↑

EC + 2e - + 2Li + →LiCH2CH2OCO2Li

↓

DMC + e - +Li + →CH3·+ CH3OCO2Li

↓ +And/or CH3OLi ↓+ CH3OCO·

traceH2O + e - +Li + →LiOH ↓+

1/2H2

LiOH + e - +Li + →Li2O ↓+

1/2H2

H2O + (CH2OCO2Li)2 →Li2CO3↓ + CO

2CO2 + 2e - + 2Li + →Li2CO3 ↓+

CO

LiPF6 + H2O →LiF + 2HF + PF3O

PF6- + ne - + nLi + →LiF↓ +

LixPFy ↓

PF3O + ne - + nLi + →LiF↓+LixPOFy ↓

HF + (CH2OCO2Li)2 ↓,LiCO3 ↓→LiF ↓+ (CH2COCO2H)2 ,H2CO3 (sol.)

SEI膜持续生长,直到有足够的厚度和致密性,能够阻止溶剂分子的共插入,保证电极循环的稳定性。同时,气体的产生机理也推动了开口化成工艺的优化。不过当前的研究仍处于定性阶段,深入至定量的研究及各种成分的影响分析,将成为下一步的研究重点及难点,其研究结果也将更富有指导意义。

SEI膜影响因素

SEI 膜作为电极材料与电解液在电池充放电过程中的反应产物 ,它的组成、结构、致密性与稳定性主要是由电极和电解液的性质决定 ,同时也受到温度、循环次数以及充放电电流密度的影响。

1、负极材料的影响

负极材料的各种性质 ,包括材料种类、电极组成及结构、形态特别是表面形态对SEI 膜的形成有着至关重要的影响。人们对各种类型的碳负极材料 ,包括热解碳、碳纤维、石油焦、人造石墨和天然石墨等进行了深入研究 ,结果表明材料的石墨化程度和结构有序性不同 ,所形成 SEI 膜的各种性质也不同;即使对同一种碳材料 ,微粒的表面不同区域 (基础面和边缘面) ,所形成的 SEI 膜也有很大差异。Kang[9]对碳负极形成 SEI 膜进行了研究 ,分析表明在这几种碳材料 中 ,热解碳形成的 SEI 层较厚,而高定向热解石墨 ( HOPG) 上形成的 SEI 膜较薄。

Edstrom 等对中间相碳微球 (MCMB) 和石墨作负极的 SEI膜的热力学稳定性进行研究。实验证明 ,负极 SEI膜的热稳定性是由碳电极的类型决定的。把电极进行升温处理 ,虽然各种碳负极剥落的起始温度基本一致 ,但剥落程度和受温度影响的范围却各不相同 ,这些差异主要是由电极的表面结构孔隙率和粒子大小不同造成的。

2、电解质的影响

一般认为作为溶质的支持电解质盐比溶剂更易还原,还原产物成为SEI 膜的一部分。在一些常用的电解质锂盐中LiClO4的氧化性太强,安全性差。LiAsF6 对碳负极电化学性能最好,但其毒性较大。LiPF6 热稳定性差,60～80 ℃左右就有少量分解成为LiF。因此寻找新型锂盐的研究一直在不断进行中。电解质锂盐的主要差别在于阴离子种类不同,造成SEI 膜的形成电位和化学组成有差别。用含 Cl、F等元素的无机锂盐作电解质时 ,SEI 膜中就会有这些电解质的还原物存在。实验表明[10] ,在含有 Cl 和 F 的电解液中 ,SEI膜中的 LiF、 的含量都很高 ,这可能LiCl是以下反应所致 :

LiPF6 (solv) + H2O(l) →LiF(s) +2HF(solv) +

POF3 (g)

LiBF4 (solv) + H2O(l) →LiF(s) +2HF(solv) + BOF(s)

并且 ,无机锂盐的分解也可能直接生成这些化合物:

LiPF6 (solv) →LiF (s) + PF5 (s)

由于在热力学上生成无机锂化合物的倾向较大 ,故使得所生成的 SEI膜能更稳定地存在 ,从而减弱 SEI膜在电化学循环过程中的溶解破坏。阳离子对 SEI 膜也有明显影响。例如分别用LiPF6 和 TBAPF6 (TBA+ 为四丁基铵离子) 作电解质时 ,采用EIS分析发现后者的阻抗显著增大 ,这主要是因为 TBA+体积较大 ,嵌入后使石墨层间距扩张较大 ,所以造成石墨电极的严重破坏。

3、溶剂的影响

研究表明 ,电解液的溶剂对SEI膜有着举足轻重的作用 ,不同的溶剂在形成SEI膜中的作用不同。在PC溶液中，形成的SEI膜不能完全覆盖表面，电解液很容易在石墨表面反应，产生不可逆容量。在纯 EC做溶剂时,生成的SEI 膜主要成分是(CH2OCOOLi)2 ,而加入DEC或DMC后,形成的SEI 膜的主要成分分别为C2 H5COOLi 和Li2CO3。显然,后二者形成的SEI 膜更稳定。在EC/DEC和EC/DMC的混合体系中, EC是生成SEI 膜的主要来源，只有EC发生了分解， DEC和DMC的主要作用是提高溶液的电导率和可溶性,而不在于参与SEI 膜的形成。

有机电解质的溶剂一般需要具有高电导率、低粘度、高闪燃点和较高的稳定性等特点,这就要求溶剂的介电常数高，粘度小。烷基碳酸盐如PC、EC等极性强，介电常数高，但粘度大，分子间作用力大，锂离子在其中移动速度慢。而线性酯，如DMC(二甲基碳酸脂)、DEC (二乙基碳酸脂)等粘度低，但介电常数也低，因此，为获得满足需求的溶液，人们一般都采用多种成分的混合溶剂如PC十DEC，EC+DMC等。

Peled 等分析了采用几种不同配比的EC/PC、EC/DMC 做溶剂时高温条件下SEI 膜的嵌脱锂性能。研究表明,虽然室温下电解液中含有PC 会在电极表面形成不均匀的钝化层,同时易于产生溶剂共嵌入而使碳电极破坏,但PC 的加入却有利于提高电极高温循环性能,具体原因有待于进一步研究。

4、温度的影响

一般认为,高温条件会使SEI 膜的稳定性下降和电极循环性能变差,这是因为高温时SEI 膜的溶解和溶剂分子的共嵌入加剧,而低温条件下SEI 膜趋于稳定。

Ishiikawa 在优化低温处理条件时发现, 在- 20 ℃时生成SEI 膜循环性能最好,这是因为低温时形成的SEI 膜致密、稳定, 并且阻抗较低。Andersson则认为高温条件下,原来的膜进行结构重整,膜的溶解与重新沉积使新的膜具有多孔的结构,从而使得电解液与电极产生进一步接触并继续还原。目前在锂离子电池制造商中普遍采用的化成后在30 —60 ℃之间保温老化,以改善电池的循环性能和优化电池的贮存性能,就是基于在较高温度下SEI 膜的结构重整之说。

5、电流密度的影响

电极表面的反应是一个钝化膜形成与电荷传递的竞争反应。由于各种离子的扩散速度不同和离子迁移数不同,所以在不同的电流密度下进行电化学反应的主体就不相同,膜的组成也不同。Dollé 在研究SEI 膜时发现,电流密度对膜的厚度影响不大,却使得膜的组成截然不同。低电流密度时，Li2CO3 首先形成,而ROCOOLi 则延迟到电极放电结束前才开始形成；高电流密度时,ROCOOLi没有在膜中出现，膜中只含有Li2CO3 ,这使得膜的电阻变小，电容增大。

Hitoshi Ota等人在对以PC(碳酸丙稀酯) 和ES(亚硫酸乙烯酯) 基电解液系统的碳负电极进行研学手段对SEI 膜形成机理作了介绍。试验研究表明: SEI 膜的产生主要是由PC 和ES 的分解而形成的,且ES 在PC 之前分解,SEI 膜的组成结构主要取决于电流密度。如果电流密度高,SEI 膜的无机组分首先在该高电位下形成,锂离子的插入开始,此后SEI 膜的有机组分形成。而当电流密度较低时,从初始电位开始(1.5 V ,versus Li/ Li + ) ,SEI 的有机组分立即形成。

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