锂离子电池化成原理及SEI膜的形成
SEI膜的成膜机理及影响因素分析
SEI膜的成膜机理及影响因素分析概述：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”(solidelectrolyte-interface)，简称SEI膜。
正极确实也有层膜形成，只是现阶段认为其对电池的影响要远远小于负极表面的SEI膜，因此本文着重讨论负极表面的SEI膜（以下所出现SEI膜未加说明则均指在负极形成的）。
负极材料石墨与电解液界面上通过界面反应能生成SEI膜，多种分析方法也证明SEI膜确实存在，厚度约为100～120nm，其组成主要有各种无机成分如Li2CO3、LiF、Li2O、LiOH等和各种有机成分如ROCO2Li、ROLi、(ROCO2Li)2等。
SEI膜的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。
一方面，SEI膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率；另一方面，SEI膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。
因此，深入研究SEI膜的形成机理、组成结构、稳定性及其影响因素，并进一步寻找改善SEI膜性能的有效途径，一直都是世界电化学界研究的热点。
1.SEI膜的成膜机理早在上世纪70年代，人们在研究锂金属二次电池时，就发现在金属锂负极上覆盖着一层钝化膜，这层膜在电池充放电循环中起着非常重要的作用，随着对这种现象研究的深入，研究者们提出了这层钝化膜大致的形成机理，并依靠这些机理，相继提出了几种钝化膜的模型。
在这些模型当中，SEI膜模型得到人们普遍的应用，因此人们习惯于把这种钝化膜称为SEI膜。
锂电池化成原理.
形成SEI膜的不可逆反应
• 溶剂分子电化学还原反应
• 溶剂分子与Li/C插层化合物间的化学还原反应 • 电解质阴离子的还原
• 添加剂分子的还原
• 与杂质分子的反应 • 电极粘结剂的还原
消耗少量Li+以防更多Li+的损失
负极的首次效率
SEI膜形成反应导致产气现象
CV<2.5V：主要成分为H2和CO2 CV=3.0-3.5V：主要成分为C2H4，产气体积最大
Solvent Gas
EC
PC DMC DEC EMC
C2H4
C3H6 CH4+CO C2H6+CO CH4+C2H6+CO
Reduction mechanism of EC on graphite
EC的单/双电子反应 （钝化电位0.9V左右）
单电子反应
EC + e
EC •
EC • +2 Li+
Rest / 0.02C to 3.4V /Rest / 0.1C to 3.8V / Rest
电化学体系的变化
阴极 / 阳极 / 电解液
Cathode
Cell: 3.4V
Cell: 3.8V
Li+
Anode
石墨活化机理
溶剂化Li离子
Li+ 溶剂分子 1st charge
2.5 2
Voltage (V)
双电子反应
CH3CH=CH2 （g）+（CH2OCO2Li）s）
PC + 2e CO32- + Li+ PC + 2e +2Li+
CH3CH=CH2（g）+ CO32Li2CO3 CH3OLi（s）+CH3CH2OLi(s)+ CO（g）
sei膜和cei成膜的机理
sei膜和cei成膜的机理SEI（Solid Electrolyte Interface）膜的形成机理和CEI （Charging Electrolyte Interface）膜的形成机理都与电池中的锂离子和电解液的反应有关。
SEI膜的形成是一个复杂的化学反应过程，在电池首次充电时，电解液中的部分溶剂会在负极表面发生还原反应，与锂离子结合形成新的化学产物。
这些新生成的产物在负极表面经过沉淀形成固体电解质相界面（SEI）膜。
SEI膜的形成是一个自限性过程，当达到一定厚度时，电解液中的锂离子无法继续嵌入负极，从而停止SEI 膜的生长。
SEI膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。
CEI膜的形成机理与SEI膜类似，也是在电池首次充电过程中发生的。
在充电过程中，正极材料中的锂离子会脱出并与电解液中的阴离子结合形成一种固体电解质界面（CEI）膜。
CEI膜通常具有较低的离子电导率，可以阻止锂离子的进一步嵌入，从而防止正极材料的过度膨胀和破坏。
总之，SEI膜和CEI膜的形成机理都涉及到锂离子和电解液的反应，以及在电极表面形成固体电解质界面的过程。
这些界面膜的形成对于提高电极的循环性能和使用寿命具有重要的意义。
SEI膜和CEI膜的机理各有优缺点。
SEI膜的优点：1.提高电池的循环寿命：SEI膜的形成能够防止电解液对电极的腐蚀，保护电极不受损坏，从而提高了电池的循环寿命。
2.防止锂枝晶的形成：锂枝晶是一种在锂离子电池充电过程中，锂离子在正极表面沉积形成的晶体。
SEI膜可以阻止锂离子在负极表面沉积，从而避免了锂枝晶的形成，使电池工作更加稳定。
SEI膜的缺点：1.形成过程复杂：SEI膜的形成是一个复杂的化学反应过程，需要精确控制反应条件，否则可能会影响电池的性能。
锂电池化成原理最新优质ppt课件
?单电子反应
DEC + e + 2Li+ DEC + e + 2Li+ C2H5CO2 ? + CH3? C2H5 ?+ 1/2H2 ? CH3 ?+ CH3 ?
?双电子反应
DEC + 2e + 2Li +
C2H5OCO2Li (s) + C2H5 ? C2H5OLi (s) + C 2H5CO2 ?
? 重要性：1）影响首次效率（容量发挥）； 2）影响电化学性能 （内阻，H/L temp, 循环性能） 3）影响热稳定性和安全性能；
? 流程：五步（目前ATL）
Rest / 0.02C to 3.4V /Rest / 0.1C to 3.8V / Rest
电化学体系的变化
? 阴极 / 阳极 / 电解液
化成原理
内容提要
1.化成概述 2.化成机制（以石墨为例）
2.1 SEI膜形成 2.2 影响SEI膜的因素
3.改善措施
3.1 夹具化成
1. 化成概述
? 化成：注电解液并浸润后，首次充电激活电芯的过程
? 目的：1）激活活性物质； 2）形成稳定的SEI膜，保证电芯的电化学性能； 3）以便除去产生的气体副产物； 4）排除内短路电芯。
75.9%
66.1%
2C 40.9%
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锂离子电池SEI膜形成机理
1.SEI膜简介
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。
其它表征方法
目前使用的SEI膜分析方法有很多，主要可分为以下几类： SEI膜成分分析：XPS（X射线光电子能谱）、SIMS（二次离子质谱）
IR(红外光谱)、Raman Spectra(拉曼光谱）等 SEI膜结构成像分析：AFM（原子力显微镜）、STM（扫描隧道显微镜）
TEM（透射电镜）等 SEI膜热分析： DSC（差热分析）、ARC（加速量热法）、
温度达到350℃时，LiC6也会与粘结剂PVDF发生反应。这种转变后的SEI膜不 但可透过Li+,同时也可透过电子，导致电池内短路。
2.SEI膜对电池性能的影响 SEI膜的结构和性能对电池性能有非常大的影响，有效而稳定的SEI膜 可使电池有良好的循环寿命及安全性。
①电池化成时由于SEI膜的形成和电解液溶剂的减少会导致不可逆容量增加。 ②SEI膜对电机活性物质的表面钝化会导致电池产生自放电。 ③SEI膜对温度高度敏感，使得电池在高/低温时性能下降。 ④在电池使用过程中，SEI膜的转化会导致电池内部温度升高，使电池存在安
sei膜具有有机溶剂不溶性在有机电解质溶液中能稳定存在并且溶剂分子能通过该层钝化膜从而能有效防止溶剂分子的共嵌入避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命
简述锂离子电池SEI膜
三元锂电池-SEI膜形成机理
3.SEI膜对石墨表面的影响 SEI膜对石墨表面的钝化可使活性物质表面具有良好的动力稳定性， 同时可确保电池良好的循环性能。但是，有时因SEI膜的形态和结构发 生变化会使石墨表面钝化层破坏，文献中提到的导致钝化层破坏的原因 主要为：
电解液溶剂分子和锂离子形成溶剂化离子，共同在石墨层间脱嵌，这种溶 剂化离子会导致石墨层的有序结构发生扭曲、变形，使电池性能变差。
其它表征方法
目前使用的SEI膜分析方法有很多，主要可分为以下几类： SEI膜成分分析：XPS（X射线光电子能谱）、SIMS（二次离子质谱）
IR(红外光谱)、Raman Spectra(拉曼光谱）等 SEI膜结构成像分析：AFM（原子力显微镜）、STM（扫描隧道显微镜）
TEM（透射电镜）等 SEI膜热分析： DSC（差热分析）、ARC（加速量热法）、
3.SEI膜的改性 根据SEI膜的形成过程、机理及其性能特征，人们采用各种方法对
SEI 膜进行改性，以求改善其嵌脱锂性能，延缓 SEI膜的溶解破坏，增 强稳定性，同时减少SEI膜形成过程中锂离子的损失。
3.1碳负极预处理
碳负极的预处理方法有多种：包覆、机械研磨、表面成膜都是有效的方法。 对石墨电极表面氧化、气体还原处理、高温热处理、惰性气体清洗以及低温预处 理都能在一定程度上改善电极表面的SEI膜，增强其稳定性与循环性能 ,减少不 可逆容量 ,增大充放电效率。
2.2溶剂对SEI膜的影响 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 C2H5COOLi 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。
化成原理及SEI膜的形成
锂离子电池化成原理及SEI膜的形成丹蝶斌百家号10-2213:21化成原理SEI膜形成机制⑴在一定的负极电位下，电极/电解液相界面的锂离子与电解液中的溶剂分子等发生不可逆反应；⑵不可逆反应主要发生在电池首次充电过程中；⑶电极表面完全被SEI膜覆盖后，不可逆反应即停止；⑷一旦形成稳定的SEI膜，充放电过程可多次循环进行SEI膜组成成分正极确实也有层膜形成,只是现阶段认为其对电池的影响要远远小于负极表面的SEI膜,因此本文着重讨论负极表面的SEI膜（以下所出现SEI膜未加说明则均指在负极形成的）。
负极材料石墨与电解液界面上通过界面反应能生成SEI膜,多种分析方法也证明SEI膜确实存在,厚度约为100～120nm,其组成主要有各种无机成分如Li2CO3、LiF、Li2O、LiOH等和各种有机成分如ROCO2Li、ROLi、(ROCO2Li)2等。
烷基碳酸锂和Li2CO3均为3.5V前形成SEI膜的主要成分，烷基碳酸锂和烷氧基锂为3.5V后形成SEI膜的主要成分。
化成气体产生与电压关系化成过程中其产气总量于电压3.0V处最大,而当化成电压大于3.5V后,则产生的气体就迅速减少.化成电压小于2.5V时,产生的气体主要为H2和CO2等;随着化成电压的升高,在3.0V~3.8V的范围内,气体的组成主要是C2H4,超出3.8V以后,C2H4含量显著下降,此时产生的气体成分主要为C2H6和CH4.其中,3.0V~3.5V之间为SEI层的主要形成电压区间.而在这一电压区间,产生的气体化成产生气体分类化成产生气体成分比较电解液中主要的有机溶剂结构EC为碳酸乙烯酯；PC为碳酸丙烯酯；DEC为二乙基碳酸酯；DMC为二甲基碳酸酯；DME为二甲氧基乙烷；DOL为二氧戊烷；MEC为甲基乙基碳酸酯化成过程中的主要化学反应正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-负极反应：6C+xLi++xe-=LixC6电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6电压低于2.5V时H2O+e→OH-+1/2H2(g)OH-+Li+→LiOH(s)LiOH+Li++e→LiO(s)+1/2H2(g)LiPF6→LiF+PF5PF5+H2O→2HF+PF3OLiCO3+2HF→LiF+H2CO3H2CO3→H2O+CO2(g)SEI层形成过程中的主要反应：EC+e→EC˙(EC自由基）2EC˙+2Li+→CH2=CH2(g)+(CH2OCO2Li)2(s) EC+2e→CH2=CH2(g)+CO32-CO32-+2Li+→Li2CO3EC+2Li++2e→CH3OLi(s)+CO(g)DMC+e+Li+→CH3OCO2Li(s)+CH3˙DMC+e+Li+→CH3OLi(s)+CH3OCO2CH3OCO2+CH3˙→CH3OCO2CH3EMC+e+Li+→CH3OCO2Li(s)+C2H5˙CH3˙+1/2H2→CH4C2H5˙+1/2H2→C2H6CH3˙+CH3˙→C2H6C2H5˙+CH3˙→C3H8DMC+2Li++2e→CH3OLi(s)+CO(g)SEI膜形成中的主要化学现象在电池化成的过程中不仅仅是电能与化学能的转换，同时也伴随着热能的转化；在化成中的化学反应产生的气体包括H2，CO，CO2，C2H4，CH4，C2H6˙˙˙，所以在化成时电芯都有一个气囊，目的就是排出化成中产生的气体。
锂离子电池SEI膜成膜机理及其性质
锂离子电池SEI膜成膜机理及其性质锂离子电池的SEI膜对于其安全性、容量、循环次数等都有重要影响，研究SEI膜的成膜机理及其性质不但很有必要且意义重大。
本文从SEI膜的化学组成成分着手，详细地分析了锂离子电池正负极与电解液之间发生的化学反应，进一步研究了SEI膜的成膜步骤及过程。
最后，总结了SEI膜的性质以及多种环境参量对SEI膜的影响。
研究结果表明，SEI膜的形成是电极材料、电解液溶剂以及电解质在化学条件下共同参与的结果，因而电解液体系（包括盐、溶剂和添加剂）、碳材料微细结构和界面性质、电池化成制度（温度、电流）、杂质均对SEI膜的形成电位、化学组成、结构、稳定性、锂离子电导率等产生影响。
标签：锂离子电池，SEI膜，机制，性质1. SEI膜的形成机制SEI膜不仅在负极表面生成，在正极表面也会产生，下面分别进行讨论。
1.1 炭负极/电解质界面SEI膜机制通过深入研究炭负极/电解液相界面SEI膜的化学组成可有效地推测SEI膜形成反应及其机理。
研究证实PC基、EC基电解液在炭负极界面还原反应过程中，由单电子自由基终止反应形成的烷氧基碳酸锂（ROCO2Li）的存在[3]。
电子自旋共振研究表明，溶剂分子的还原反应一般是溶剂化Li+的溶剂分子在炭负极表面结合电子成为阴离子自由基，继而发生溶剂分子的分解、重组或诱发溶剂分子间的自由基聚合反应，在炭负极/电解液相界面上形成多种溶剂不溶性产物。
这种溶剂还原反应是锂离子电池炭负极界面上形成SEI膜的主要原因。
当采用醚、酯、线状烷基碳酸酯作为溶剂，碳电极上不能可逆地进行嵌脱锂离子，主要原因在这些电解质体系中发生了溶剂共嵌，造成石墨层剥落，形成的SEI膜致密性差。
但是采用AFM（原子力显微镜）技术研究PC基电解质体系中碳电极嵌锂过程，未发现石墨层剥落现象，说明这种机理不适合PC溶剂[5]。
在C/PC基电解质界面上，PC在碳边缘面上还原，生成R（OCO2Li）2和丙烯气体，引起内应力，造成石墨颗粒破裂，形成大量活性的边缘面，继续与PC反应。