SEI膜成膜过程阻抗变化研究

第24卷第6
期             
电池工业
Chinese BatteryInd
stry
             2
020年12
月SEI膜成膜过程阻抗变化研究
张 峥,李丽娟*,朱振东,彭 文,李 毅
(合肥国轩高科动力能源有限公司,安徽合肥 230012
)摘要:采用电化学阻抗谱(EIS)技术研究了锂/石墨软包体系中石墨表面固体电解质界面膜(SEI膜)在化成过程中的阻抗变化。结果表明,在化成过程中,石墨阻抗显著降低,对应着SEI膜形成过程,在随后的脱锂过程中,阻抗趋于稳定,对应着SEI膜结构及成分的有序化。关键词:SEI膜;
阻抗;锂/石墨电池;化成中图分类号:TM912.9  文献标识码:A  文章编号:1008-7923(2020)06-0288-
04Study on the Impedance Changes of SEI Film Forming 
ProcessZHANG Zheng,LI Li-juan*,ZHU Zhen-dong
,PENG Wen,LI Yi(Hefei Gotion High-tech Power Energy Co.,Ltd.,Hef
ei,Anhui Province,230012,China)Abstract:Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)was used to study the impedance changesof the solid electrolyte interface membrane(SEI)on the graphite surface during 
formation in thelithium/graphite pouch cell system.In the process of formation,the impedance of lithium/graphite battery 
sce
decreases continuously.In the subsequent delithiation process,impedanceremains stable,corresponding to the ordering of SEI structure and composition.Key
words:SEI;Impedance;Lithium/Graphite batteries;Formation1 引言
石墨具有容量大、循环性能好、比金属锂电位低等优点,已经成为锂离子电池首选的负极材料。通过在石墨表面形成固体电解质界面膜(SEI膜),可以有效地抑制电解液溶剂对石墨表面结构的剥离及电化
学氧化作用等不良现象[
1,2]
。对于一个正常的锂离子电池,需要在化成过程中形成一个初步的SEI膜,其结构会在随后的循环过程中稳定。SEI膜的形成被认为是制备锂离子电池的一个重要过程。它有两个功能:阻挡电子和允许锂离子通过,这两个功能的
青海德令哈5.8级地震退化是电池退化最常见的原因之一[
3-
8]。如果电子不被阻挡,SEI膜会随着电极上的电解液连续分解而生
长,消耗Li+和电解液并降低电池容量;如果Li
离子不能有效地通过SEI膜,电池阻抗就会上升。因此,可以通过电化学阻抗谱(EIS)技术研究SEI膜的形成。在文献中,有使用对称电池法或三电极方法来研究负极或正极阻抗,即从全电池阻抗中分离出正负
极的阻抗[9]
。然而,由于对称电池法是一种破坏性方
法,确定负极(或正极)阻抗是充放电循环次数或荷电状态(SOC)的函数,需要对大量电池进行测试或循环。此外,三电极测试中参比电极必须满足某些标准,例如在两个隔膜之间居中,并且相对于隔膜厚度
①基金项目:
国家重点研发计划项目(2016YFB0100304)。作者简介:
张峥(1986-),男,辽宁人,博士,工程师,主要从事新能源电池检测,Email:zhangzheng@gotion.com.cn通讯作者:
李丽娟(1989-),女,安徽人,硕士,工程师,主要从事锂离子电池机理研究,Email:lilij
uan@gotion.com.cn
来说很薄等,这些在实验过程中难以操作。总之,为了量化在没有或存在添加剂的情况下单个电极的
阻抗随循环数或SOC的变化,必须结合参比电极或使用更麻烦的对称电池方法。为此,在这项工作中,我们使用锂/石墨电池作为测试对象,通过记录EIS并将其变化与SEI膜进行比较来研究SEI膜的
形成。
2 实验部分2.1 试剂与仪器
由上海杉杉科技有限公司提供的锂离子电池的负极石墨用于研究SEI膜的形成。将石墨电极裁成一个
长方形,有效面积为20cm2
(4cm×5cm)
,并在使用前于60℃真空干燥4h。电解液成分及比例为碳酸乙烯酯(EC)∶碳酸甲乙酯(EMC)∶碳酸二乙酯(DEC)=30∶50∶20,添加剂碳酸亚乙烯酯(VC)=0.5%;六氟磷酸锂LiPF6=1mol·L-1;锂铜复合带厚度为100μm,该电极被裁为24.75cm2(4.5cm×5.5cm)。由CorrWare和Zplot软件控制的输力强1470E恒电位仪和1455A频率响应仪用于EIS测量。在特定的荷电状态(SOC)下,在100kHz
至0.1Hz的频率范围内,以5mV的电压扰动测量EIS。化成过程中用0.05C的电流测试EIS。使用ZView软件拟合测试得到的EIS数据。所有测试均在常温25±2℃下进行。2.2 电池的装配
在露点为-40℃的环境下,采用单层叠片的方式,将石墨极片,锂铜复合带与隔膜(PE基膜)组装成电池,其中锂铜复合带的极耳由镍极耳与铜箔焊接引出。再在60℃,抽真空的条件下干燥4h,随后注液2mL后进行抽真空封口,得到额定容量为65mAh的锂/石墨电池。
3 结果与讨论
3.1 首次化成过程锂/石墨电池的EIS
图1绘制出了锂/石墨电池在化成过程中(首次放电-充电过程)不同SOC下的EIS。这种类型的
EIS谱图可以用一个等效电路进行拟合[1
0-
12],等效电路包含一个电阻元件和两个电阻/电容并联元件,图
2选取10%SOC状态下的拟合结果作为示例,
可以看出:等效电路能较好地反映石墨在脱嵌锂过程中的电化学反应过程,其具体数值如表1所示。图1中可以看出,在大部分SOC范围内,EIS谱图是由两个部分重叠的半圆组成。Rs是电池的欧姆电阻,反应的
是电解液,
隔膜,电极之间的接触电阻。该等效电路由两个电阻/电容并联元件构成EIS图谱中的两个半圆。RSEI和CSEI分别是两个电极表面上的SEI膜电阻和电容,对应于高频区的半圆。Rct和Cdl是电荷转移电阻及其相应的双电层电容,对应于中频区的半圆。SEI膜阻抗和电荷转移阻抗均随着石墨的脱嵌
锂过程发生变化[
12,13]
。图1(a)显示,在首次放电过程,即SEI膜在石墨表面形成过程中,SOC低于2%以下时,电荷转移过程的半圆几乎不可观察,此时石墨中含锂量较低,难以发生其他的电化学反应。在这种情况下,Rct太高,无法形成其半圆。随着放电过程进行,SEI膜逐渐在石墨表面形成,对应着高
频区出现的半圆,同时,中频区的电荷转移过程也开始发生。对阻抗进行等效电路拟合,可以发现SEI阻抗随着嵌锂程度的增加而逐渐降低,对应着SEI逐渐有序和致密的过程。同时电荷转移阻抗也逐渐稳定在2Ω左右,显示形成SEI后,嵌锂过程的电荷转移阻抗趋于一致。因此,EIS能够实时反应电极表面SEI膜的形成和增长
过程。
图1(b)对应的是首次充电过程,即SEI膜形成后,石墨脱锂的过程。可以看出,总体阻抗随着充电过程进行逐渐降低。在最初充电的10%SOC范围
内,未能检测到RSEI的存在,这可能是由于接触阻抗影响导致SEI膜的半圆与Rct重合。在充电末期的10%SOC范围内,RSEI也未能检测到,可能的原因是初期形成SEI尚不稳定,在高电压下有分解现象。从充电过程的阻抗谱中可以看出,Rct的降低起到主导作用,这与不同嵌锂状态下石墨本身反应动力学相关,石墨在脱锂状态下发生反应的阻抗远低于嵌锂状态下。同时,可以观察到SEI膜对应的阻抗相对于第一周放电过程有明显降低,显示了在SEI膜形成后,依然有SEI成分和结构的调整变化,
使得阻抗进一步降低。
3.2 RS+RSEI+Rct-
SOC之间的相关性图3中绘制了第一周放电和充电过程中RS+
RSEI+Rct随电池SOC的变化曲线。为了理解化成过程RS+RSEI+Rct与SOC的相关性,我们分析了化成过程中SOC与阻抗的关系,分析SEI膜的形成情况。
由于SEI膜的形成,第一周化成过程的阻抗与SOC的相关性较为复杂。在首次放电时阻抗处于不断降低的过程;原因可能是0.05C的化成倍率属于较低的电流密度,在SEI膜的形成过程中,无机成分第24卷第6期               电池工业
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             2020年12月
图1 锂/石墨电池在0~100%SOC范围内对应的EIS图谱,
测试条件为首次放电(a)和首次充电(b)过程,电解液浓度为1.0mol·L-1 LiPF6,
EC∶EMC∶DEC=30∶50∶20,VC=0.5%Fig.1 The corresponding EIS of the lithium/graphite battery 
in 0~100%SOC was tested under the conditions of the first discharge(a)and the first charge(b)p
rocess,with the electrolyte concentration of 1.0mol·L-1 
LiPF6,EC∶EMC∶DEC=30∶50∶20,VC=0.5%.表1 首周放电和充电过程中的EIS数据
Table 1 EIS data during the first cycle of discharging and charging 
yangjiangprocess.SOC/%1DC
/0.05CRs/ΩRSEI
/ΩRct/ΩRs+RSEI+Rct
/ΩSOC/%1CC
/0.05CRs/ΩRSEI/ΩRct/ΩRs+RSEI+Rct
/Ω0 0.1167/43.6900 43.8067 98 0.2284/2.1330 2.36142 0.1599/21.2600 21.4199 96 0.2218/1.5780 1.79984 0.2613 12.2200 9.3530 21.8343 94 0.2185/1.2680 1.48656 0.2758 11.4700 5.9340 17.6798 92 0.2188/1.0680 1.28688 0.2623 10.6400 4.3600 15.2623 90 0.2074/0.9671 1.174510 0.2297 7.3020 7.1540 14.6857 80 0.1616 0.1071 0.7342 1.003020 0.1489 4.2530 4.6920 9.0939 70 0.1648 0.1100 0.6199 0.894730 0.1181 3.
1690 4.1020 7.3891 60 0.1624 0.1018 0.5972 0.861440 0.1580 3.0490 2.8250 6.0320 50 0.1240 0.0415 0.6865 0.851950 0.1205 2.1660 2.5940 4.8805 40 0.1205 0.0400 0.6670 0.823060 0.1343 2.0940 2.3000 4.5283 30 0.1172 0.0400 0.6776 0.831370 0.1301 1.8570 2.1220 4.1091 20 0.1620 0.4100 0.2084 0.781080 0.1342 1.8180 1.8060 3.7582 10 0.1227/0.8336 0.956290 0.0598 1.3300 1.8060 3.1958 0 
0.1231
0.8328 
0.9560
100 
0.0737 
1.3470 
2.1150 
3.5357
Li2
CO3首先形成,而有机碳酸酯锂ROCOOLi则延迟到电极充电结束前才开始形成。形成SEI膜后离子电导增加,锂离子能够通过SEI膜扩散至石墨表面,并在石墨表面还原,嵌入石墨片层间。因此化成过程的阻抗降低对应着SEI膜形成的过程。在随后的充电过程中,阻抗进一步降低,表明锂离子反应的阻力进一步降低。石墨阻抗在小于90%SOC后保持稳定。对应着SEI逐渐稳定及有序化的过程。根据以上结果,我们可以得出结论,SEI膜在初始形成
的过程中,
降低了离子迁移阻力,使得锂离子能快速扩散至石墨表面并还原嵌入石墨片层。随着循环的进行,SEI结构成分趋于稳定,因此锂离子脱嵌能正常进行下去。通过上述结果分析,石墨在化成过程汇总,SEI的形成降低了石墨的离子阻抗,促进了锂离子能顺利进行脱嵌。
4 结论
本文利用锂/石墨半电池,对石墨电极阻抗进行电池工业       
    张 峥,等:SEI膜成膜过程阻抗变化研究      Chinese BatteryIndustry
图2 锂/石墨电池EIS拟合等效电路,
显示的EIS图谱为首次放电10%SOC时记录的数据Fig.2 The equivalent circuit for the EIS fitting oflithium/graphite batteries,the EIS p
rofile displayed is thedata recorded at the first discharg
e of 10%SOC.图3 锂/石墨电池第一周化成过程中的RS+RSEI+Rct
与SOC之间的关系。电解液浓度为1.0mol·L-1 
LiPF6,
EC∶EMC∶DEC=30∶50∶20,VC=0.5%Fig.3 The relationship between RS+RSEI+Rctand SOCin the formation process of lithium/graphite battery.The electroly
te concentration was 1.0mol·L-1 
LiPF6,
EC∶EMC∶DEC=30∶50∶20,VC=0.5%.
研究。首先,确定了SEI形成过程会引起电极阻抗变化,因此可以通过EIS定量表征。同时,通过对不同嵌锂态下石墨电极的阻抗分析,确定嵌锂石墨阻抗谱主要有三个部分组成,高频区半圆对应着SEI膜阻抗RSEI,中频区半圆对应着电荷转移阻抗Rct,低频区斜线对应着扩散过程。最后,通过化成过程石墨阻抗的分析,表征了SEI形成及有序化的过程。参考文献:
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267.第24卷第6期               电池工业
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