Αφηρημένη
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIBs) θεωρούνται μία από τις σημαντικότερες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας.Καθώς η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών αυξάνεται, η ασφάλεια των μπαταριών γίνεται ακόμη πιο κρίσιμη εάν η ενέργεια απελευθερώνεται ακούσια.Ατυχήματα που σχετίζονται με πυρκαγιές και εκρήξεις LIB συμβαίνουν συχνά σε όλο τον κόσμο.Ορισμένα έχουν προκαλέσει σοβαρές απειλές για την ανθρώπινη ζωή και υγεία και έχουν οδηγήσει σε πολυάριθμες ανακλήσεις προϊόντων από κατασκευαστές.Αυτά τα περιστατικά υπενθυμίζουν ότι η ασφάλεια είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τις μπαταρίες και ότι πρέπει να επιλυθούν σοβαρά ζητήματα πριν από τη μελλοντική εφαρμογή συστημάτων μπαταριών υψηλής ενέργειας.Αυτή η ανασκόπηση στοχεύει να συνοψίσει τις βασικές αρχές της προέλευσης των θεμάτων ασφάλειας LIB και να τονίσει την πρόσφατη βασική πρόοδο στον σχεδιασμό υλικών για τη βελτίωση της ασφάλειας LIB.Αναμένουμε ότι αυτή η Ανασκόπηση θα εμπνεύσει περαιτέρω βελτίωση στην ασφάλεια των μπαταριών, ειδικά για τα αναδυόμενα LIB με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα.
Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΘΕΜΑΤΩΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ LIB
Ο οργανικός υγρός ηλεκτρολύτης μέσα στα LIB είναι εγγενώς εύφλεκτος.Μία από τις πιο καταστροφικές βλάβες ενός συστήματος LIB είναι το συμβάν καταρρακτώδους θερμικής διαφυγής, το οποίο θεωρείται η κύρια αιτία ανησυχιών για την ασφάλεια της μπαταρίας.Γενικά, η θερμική διαφυγή εμφανίζεται όταν μια εξώθερμη αντίδραση βγαίνει εκτός ελέγχου.Καθώς η θερμοκρασία της μπαταρίας ανεβαίνει πάνω από τους ~80°C, ο ρυθμός εξώθερμης χημικής αντίδρασης μέσα στις μπαταρίες αυξάνεται και θερμαίνει περαιτέρω την κυψέλη, με αποτέλεσμα έναν κύκλο θετικής ανάδρασης.Η συνεχώς αυξανόμενη θερμοκρασία μπορεί να προκαλέσει πυρκαγιές και εκρήξεις, ειδικά για μεγάλες μπαταρίες.Επομένως, η κατανόηση των αιτιών και των διαδικασιών της θερμικής διαφυγής μπορεί να καθοδηγήσει τον σχεδιασμό λειτουργικών υλικών για τη βελτίωση της ασφάλειας και της αξιοπιστίας των LIB.Η διαδικασία θερμικής διαφυγής μπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια, όπως συνοψίζεται στοΕικ. 1.
Εικ. 1 Τρία στάδια για τη διαδικασία θερμικής διαφυγής.
Στάδιο 1: Η έναρξη της υπερθέρμανσης.Οι μπαταρίες αλλάζουν από κανονική σε μη φυσιολογική κατάσταση και η εσωτερική θερμοκρασία αρχίζει να αυξάνεται.Στάδιο 2: Συσσώρευση θερμότητας και διαδικασία απελευθέρωσης αερίου.Η εσωτερική θερμοκρασία αυξάνεται γρήγορα και η μπαταρία υφίσταται εξώθερμες αντιδράσεις.Στάδιο 3: Καύση και έκρηξη.Ο εύφλεκτος ηλεκτρολύτης καίγεται, οδηγώντας σε πυρκαγιές, ακόμη και εκρήξεις.
Η έναρξη της υπερθέρμανσης (στάδιο 1)
Η θερμική διαφυγή ξεκινά από την υπερθέρμανση του συστήματος μπαταρίας.Η αρχική υπερθέρμανση μπορεί να συμβεί ως αποτέλεσμα της φόρτισης της μπαταρίας πέρα από την προβλεπόμενη τάση (υπερφόρτιση), έκθεση σε υπερβολικές θερμοκρασίες, εξωτερικά βραχυκυκλώματα λόγω ελαττωματικής καλωδίωσης ή εσωτερικά βραχυκυκλώματα λόγω ελαττωμάτων κυψέλης.Μεταξύ αυτών, το εσωτερικό βραχυκύκλωμα είναι ο κυρίαρχος λόγος για τη θερμική διαφυγή και είναι σχετικά δύσκολο να ελεγχθεί.Εσωτερικό βραχυκύκλωμα μπορεί να συμβεί σε περιπτώσεις σύνθλιψης κυττάρων, όπως η διείσδυση εξωτερικών μεταλλικών υπολειμμάτων.σύγκρουση οχήματος?σχηματισμός δενδρίτη λιθίου υπό φόρτιση υψηλής πυκνότητας ρεύματος, υπό συνθήκες υπερφόρτισης ή σε χαμηλές θερμοκρασίες.και ελαττωματικά διαχωριστικά που δημιουργήθηκαν κατά τη συναρμολόγηση της μπαταρίας, για να αναφέρουμε μερικά.Για παράδειγμα, στις αρχές Οκτωβρίου 2013, ένα αυτοκίνητο Tesla κοντά στο Σιάτλ χτύπησε μεταλλικά συντρίμμια που τρύπησαν την ασπίδα και το πακέτο μπαταριών.Τα συντρίμμια εισχώρησαν στους διαχωριστές του πολυμερούς και συνέδεσαν απευθείας την κάθοδο και την άνοδο, προκαλώντας βραχυκύκλωμα και ανάφλεξη της μπαταρίας.Το 2016, οι πυρκαγιές της μπαταρίας Samsung Note 7 οφείλονταν στον εξαιρετικά λεπτό διαχωριστή που καταστράφηκε εύκολα από την εξωτερική πίεση ή τα γρέζια συγκόλλησης στο θετικό ηλεκτρόδιο, προκαλώντας βραχυκύκλωμα της μπαταρίας.
Κατά τη διάρκεια του σταδίου 1, η λειτουργία της μπαταρίας αλλάζει από κανονική σε μη κανονική κατάσταση και όλα τα ζητήματα που αναφέρονται παραπάνω θα προκαλέσουν υπερθέρμανση της μπαταρίας.Όταν η εσωτερική θερμοκρασία αρχίζει να αυξάνεται, το στάδιο 1 τελειώνει και το στάδιο 2 ξεκινά.
Συσσώρευση θερμότητας και διαδικασία απελευθέρωσης αερίου (στάδιο 2)
Καθώς ξεκινά το στάδιο 2, η εσωτερική θερμοκρασία αυξάνεται γρήγορα και η μπαταρία υφίσταται τις ακόλουθες αντιδράσεις (αυτές οι αντιδράσεις δεν συμβαίνουν με την ακριβή δεδομένη σειρά, μερικές από αυτές μπορεί να συμβούν ταυτόχρονα):
(1) Αποσύνθεση ενδιάμεσης φάσης στερεών ηλεκτρολυτών (SEI) λόγω υπερθέρμανσης ή φυσικής διείσδυσης.Το στρώμα SEI αποτελείται κυρίως από σταθερά (όπως LiF και Li2CO3) και μετασταθερά [όπως πολυμερή, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 και ROLi] συστατικά.Ωστόσο, τα μετασταθερά συστατικά μπορούν να αποσυντεθούν εξώθερμα σε περίπου >90°C, απελευθερώνοντας εύφλεκτα αέρια και οξυγόνο.Πάρτε το (CH2OCO2Li)2 ως παράδειγμα
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0,5O2
(2) Με την αποσύνθεση του SEI, η θερμοκρασία αυξάνεται και το μέταλλο λιθίου ή το παρεμβαλλόμενο λίθιο στην άνοδο θα αντιδράσει με τους οργανικούς διαλύτες στον ηλεκτρολύτη, απελευθερώνοντας εύφλεκτα αέρια υδρογονανθράκων (αιθάνιο, μεθάνιο και άλλα).Αυτή είναι μια εξώθερμη αντίδραση που ανεβάζει περαιτέρω τη θερμοκρασία.
(3) ΠότεT> ~130°C, ο διαχωριστής πολυαιθυλενίου (PE)/πολυπροπυλενίου (PP) αρχίζει να λιώνει, γεγονός που επιδεινώνει περαιτέρω την κατάσταση και προκαλεί βραχυκύκλωμα μεταξύ της καθόδου και της ανόδου.
(4) Τελικά, η θερμότητα προκαλεί την αποσύνθεση του υλικού της καθόδου του οξειδίου του μετάλλου λιθίου και έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση οξυγόνου.Πάρτε για παράδειγμα το LiCoO2, το οποίο μπορεί να αποσυντεθεί ξεκινώντας από τους ~180°C ως εξής
Η διάσπαση της καθόδου είναι επίσης εξαιρετικά εξώθερμη, αυξάνοντας περαιτέρω τη θερμοκρασία και την πίεση και, ως αποτέλεσμα, επιταχύνοντας περαιτέρω τις αντιδράσεις.
Κατά το στάδιο 2, η θερμοκρασία αυξάνεται και το οξυγόνο συσσωρεύεται μέσα στις μπαταρίες.Η διαδικασία θερμικής διαφυγής προχωρά από το στάδιο 2 στο στάδιο 3 μόλις συσσωρευτεί αρκετό οξυγόνο και θερμότητα για την καύση της μπαταρίας.
Καύση και έκρηξη (στάδιο 3)
Στο στάδιο 3, ξεκινά η καύση.Οι ηλεκτρολύτες των LIB είναι οργανικοί, οι οποίοι είναι σχεδόν καθολικοί συνδυασμοί κυκλικών και γραμμικών ανθρακικών αλκυλίων.Έχουν υψηλή πτητότητα και είναι εγγενώς πολύ εύφλεκτα.Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τον ευρέως χρησιμοποιούμενο ανθρακικό ηλεκτρολύτη [το μείγμα ανθρακικού αιθυλενίου (EC) + ανθρακικού διμεθυλεστέρα (DMC) (1:1 κατά βάρος)], παρουσιάζει τάση ατμών 4,8 kPa σε θερμοκρασία δωματίου και εξαιρετικά χαμηλό σημείο ανάφλεξης 25° ± 1°C σε πίεση αέρα 1.013 bar.Το οξυγόνο και η θερμότητα που απελευθερώνεται στο στάδιο 2 παρέχουν τις απαιτούμενες συνθήκες για την καύση εύφλεκτων οργανικών ηλεκτρολυτών, προκαλώντας έτσι κινδύνους πυρκαγιάς ή έκρηξης.
Στα στάδια 2 και 3, οι εξώθερμες αντιδράσεις συμβαίνουν υπό σχεδόν αδιαβατικές συνθήκες.Έτσι, η θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική που προσομοιώνει το περιβάλλον μέσα στα LIB, γεγονός που διευκολύνει την κατανόησή μας για την κινητική της θερμικής φυγής αντίδρασης.Σχήμα 2δείχνει μια τυπική καμπύλη ARC ενός LIB που καταγράφηκε κατά τη διάρκεια των δοκιμών θερμικής κατάχρησης.Προσομοίωση της αύξησης της θερμοκρασίας στο στάδιο 2, μια εξωτερική πηγή θερμότητας αυξάνει τη θερμοκρασία της μπαταρίας στη θερμοκρασία έναρξης.Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, το SEI αποσυντίθεται, γεγονός που θα προκαλέσει περισσότερες εξώθερμες χημικές αντιδράσεις.Τελικά, ο διαχωριστής θα λιώσει.Ο ρυθμός αυτοθέρμανσης θα αυξηθεί στη συνέχεια, οδηγώντας σε θερμική διαφυγή (όταν ο ρυθμός αυτοθέρμανσης είναι >10°C/min) και καύση ηλεκτρολυτών (στάδιο 3).
Η άνοδος είναι γραφίτης μικροσφαιριδίων μεσοάνθρακα.Η κάθοδος είναι LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.Ο ηλεκτρολύτης είναι 1,2 M LiPF6 σε EC/PC/DMC.Χρησιμοποιήθηκε ένας διαχωριστής τριών στρωμάτων Celgard 2325.Προσαρμόστηκε με άδεια από την Electrochemical Society Inc.
Πρέπει να σημειωθεί ότι οι αντιδράσεις που απεικονίζονται παραπάνω δεν συμβαίνουν αυστηρά η μία μετά την άλλη με τη δεδομένη σειρά.Είναι, μάλλον, σύνθετα και συστηματικά ζητήματα.
ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ
Με βάση την κατανόηση της θερμικής διαφυγής μπαταρίας, μελετώνται πολλές προσεγγίσεις, με στόχο τη μείωση των κινδύνων ασφαλείας μέσω του ορθολογικού σχεδιασμού των εξαρτημάτων της μπαταρίας.Στις επόμενες ενότητες, συνοψίζουμε διαφορετικές προσεγγίσεις υλικών για τη βελτίωση της ασφάλειας της μπαταρίας, την επίλυση προβλημάτων που αντιστοιχούν σε διαφορετικά στάδια θερμικής διαφυγής.
Για να λύσετε τα προβλήματα στο στάδιο 1 (έναρξη υπερθέρμανσης)
Αξιόπιστα υλικά ανόδου.Ο σχηματισμός δενδρίτη Li στην άνοδο του LIB ξεκινά το πρώτο στάδιο της θερμικής διαφυγής.Αν και αυτό το ζήτημα έχει μετριαστεί στις ανόδους των εμπορικών LIB (για παράδειγμα, ανθρακούχες ανόδους), ο σχηματισμός δενδρίτη Li δεν έχει ανασταλεί πλήρως.Για παράδειγμα, στα εμπορικά LIB, η εναπόθεση δενδρίτη λαμβάνει χώρα κατά προτίμηση στις άκρες των ηλεκτροδίων γραφίτη εάν οι άνοδοι και οι κάθοδοι δεν είναι καλά ζευγαρωμένες.Επιπλέον, οι ακατάλληλες συνθήκες λειτουργίας των LIB μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε εναπόθεση μετάλλου Li με ανάπτυξη δενδρίτη.Είναι γνωστό ότι ο δενδρίτης μπορεί να σχηματιστεί εύκολα εάν η μπαταρία φορτιστεί (i) σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος όπου η εναπόθεση του μετάλλου Li είναι ταχύτερη από τη διάχυση των ιόντων λιθίου στον χύμα γραφίτη.(ii) υπό συνθήκες υπερφόρτισης όταν ο γραφίτης είναι υπερλιθωμένος·και (iii) σε χαμηλές θερμοκρασίες [για παράδειγμα, θερμοκρασία υποπεριβάλλοντος (~0°C)], λόγω του αυξημένου ιξώδους του υγρού ηλεκτρολύτη και της αυξημένης αντίστασης διάχυσης ιόντων λιθίου .
Από την άποψη των ιδιοτήτων των υλικών, η προέλευση της ρίζας που καθορίζει την έναρξη της ανάπτυξης του δενδρίτη Li στην άνοδο είναι η ασταθής και μη ομοιόμορφη SEI, η οποία προκαλεί άνιση τοπική κατανομή του ρεύματος.Τα συστατικά ηλεκτρολυτών, ειδικά τα πρόσθετα, έχουν διερευνηθεί για τη βελτίωση της ομοιομορφίας του SEI και την εξάλειψη του σχηματισμού δενδρίτη λιθίου.Τα τυπικά πρόσθετα περιλαμβάνουν ανόργανες ενώσεις [για παράδειγμα, CO2, LiI, κ.λπ.] και οργανικές ενώσεις που περιέχουν ακόρεστους δεσμούς άνθρακα όπως ανθρακικό βινυλένιο και πρόσθετα μηλεϊμιδίου.ασταθή κυκλικά μόρια όπως βουτυρολακτόνη, θειώδες αιθυλένιο και τα παράγωγά τους.και φθοριωμένες ενώσεις όπως ανθρακικό φθοροαιθυλένιο, μεταξύ άλλων.Ακόμη και σε επίπεδο μερών ανά εκατομμύριο, αυτά τα μόρια μπορούν ακόμα να βελτιώσουν τη μορφολογία SEI, ομογενοποιώντας έτσι τη ροή ιόντων λιθίου και εξαλείφοντας την πιθανότητα σχηματισμού δενδρίτη Li.
Συνολικά, οι προκλήσεις του δενδρίτη Li εξακολουθούν να υπάρχουν σε ανόδιες από γραφίτη ή ανθρακούχα και ανόδια επόμενης γενιάς που περιέχουν πυρίτιο/SiO.Η επίλυση του ζητήματος της ανάπτυξης του δενδρίτη Li είναι μια πρόκληση που είναι κρίσιμη για την προσαρμογή των χημικών ιόντων λιθίου υψηλής ενεργειακής πυκνότητας στο εγγύς μέλλον.Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, πρόσφατα, σημαντικές προσπάθειες έχουν αφιερωθεί στην επίλυση του ζητήματος του σχηματισμού δενδρίτη λιθίου σε καθαρές ανόδους μετάλλων Li με ομογενοποίηση της ροής ιόντων λιθίου κατά την εναπόθεση λιθίου.για παράδειγμα, επίστρωση προστατευτικού στρώματος, τεχνητή μηχανική SEI, κ.λπ. Από αυτή την άποψη, ορισμένες από τις μεθόδους θα μπορούσαν ενδεχομένως να ρίξουν φως στον τρόπο αντιμετώπισης του ζητήματος των ανθρακούχων ανοδίων και στα LIB.
Πολυλειτουργικοί υγροί ηλεκτρολύτες και διαχωριστές.Ο υγρός ηλεκτρολύτης και ο διαχωριστής παίζουν βασικούς ρόλους στον φυσικό διαχωρισμό της καθόδου και της ανόδου υψηλής ενέργειας.Έτσι, καλά σχεδιασμένοι πολυλειτουργικοί ηλεκτρολύτες και διαχωριστές μπορούν να προστατεύσουν σημαντικά τις μπαταρίες στο πρώιμο στάδιο της θερμικής διαφυγής των μπαταριών (στάδιο 1).
Για την προστασία των μπαταριών από τη μηχανική σύνθλιψη, ένας υγρός ηλεκτρολύτης με πάχυνση διάτμησης έχει ληφθεί με την απλή προσθήκη καπνισμένου πυριτίου σε ανθρακικό ηλεκτρολύτη (1 M LiFP6 σε EC/DMC).Κατά τη μηχανική πίεση ή την κρούση, το ρευστό εμφανίζει ένα φαινόμενο πάχυνσης διάτμησης με αύξηση του ιξώδους, επομένως διαχέει την ενέργεια κρούσης και επιδεικνύει ανοχή στη σύνθλιψη (Εικ. 3Α)
Εικ. 3 Στρατηγικές για την επίλυση των προβλημάτων στο στάδιο 1.
(Α) Διατμητικός ηλεκτρολύτης πάχυνσης.Κορυφή: Για κανονικό ηλεκτρολύτη, η μηχανική κρούση μπορεί να οδηγήσει σε εσωτερικό βραχυκύκλωμα της μπαταρίας, προκαλώντας πυρκαγιές και εκρήξεις.Κάτω: Ο νέος έξυπνος ηλεκτρολύτης με αποτέλεσμα πάχυνσης διάτμησης υπό πίεση ή κρούση επιδεικνύει εξαιρετική ανοχή στη σύνθλιψη, κάτι που θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά τη μηχανική ασφάλεια των μπαταριών.(Β) Διλειτουργικοί διαχωριστές για έγκαιρη ανίχνευση δενδριτών λιθίου.Σχηματισμός δενδρίτη σε μια παραδοσιακή μπαταρία λιθίου, όπου η πλήρης διείσδυση του διαχωριστή από έναν δενδρίτη λιθίου ανιχνεύεται μόνο όταν η μπαταρία αστοχεί λόγω εσωτερικού βραχυκυκλώματος.Συγκριτικά, μια μπαταρία λιθίου με διλειτουργικό διαχωριστή (αποτελούμενη από ένα αγώγιμο στρώμα τοποθετημένο ανάμεσα σε δύο συμβατικούς διαχωριστές), όπου ο κατάφυτος δενδρίτης λιθίου διεισδύει στον διαχωριστή και έρχεται σε επαφή με το αγώγιμο στρώμα χαλκού, με αποτέλεσμα την πτώση τουVCu−Li, το οποίο χρησιμεύει ως προειδοποίηση για επικείμενη αστοχία λόγω εσωτερικού βραχυκυκλώματος.Ωστόσο, η πλήρης μπαταρία παραμένει σε λειτουργία με ασφάλεια με μη μηδενικό δυναμικό.Τα (Α) και (Β) προσαρμόστηκαν ή αναπαράγονται με άδεια από την Springer Nature.(Γ) Διαχωριστής τριών στρωμάτων για κατανάλωση επικίνδυνων δενδριτών Li και παράταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας.Αριστερά: Οι άνοδοι λιθίου μπορούν εύκολα να σχηματίσουν δενδριτικές εναποθέσεις, οι οποίες σταδιακά μπορούν να μεγαλώσουν και να διεισδύσουν στον διαχωριστή αδρανούς πολυμερούς.Όταν οι δενδρίτες τελικά συνδέουν την κάθοδο και την άνοδο, η μπαταρία βραχυκυκλώνεται και αποτυγχάνει.Δεξιά: Ένα στρώμα νανοσωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου περιτυλίχθηκε με δύο στρώματα εμπορικών διαχωριστών πολυμερών.Επομένως, όταν οι δενδρίτες του λιθίου αναπτύσσονται και διεισδύουν στον διαχωριστή, θα έρθουν σε επαφή με τα νανοσωματίδια πυριτίου στο στρώμα σάντουιτς και θα καταναλωθούν ηλεκτροχημικά.(Δ) Εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) του διαχωριστή με σάντουιτς με νανοσωματίδια πυριτίου.(Ε) Τυπικό προφίλ τάσης σε σχέση με το χρόνο μιας μπαταρίας Li/Li με συμβατικό διαχωριστή (κόκκινη καμπύλη) και διαχωριστή τριών στρωμάτων με σάντουιτς νανοσωματιδίων πυριτίου (μαύρη καμπύλη) που δοκιμάστηκε υπό τις ίδιες συνθήκες.Τα (C), (D) και (E) αναπαράγονται με άδεια από τον John Wiley and Sons.(ΣΤ) Σχηματική απεικόνιση των μηχανισμών των οξειδοαναγωγικών πρόσθετων σαΐτας.Σε μια υπερφορτισμένη επιφάνεια καθόδου, το οξειδοαναγωγικό πρόσθετο οξειδώνεται στη μορφή [O], η οποία στη συνέχεια θα ανάγεται στην αρχική του κατάσταση [R] στην επιφάνεια της ανόδου με διάχυση μέσω του ηλεκτρολύτη.Ο ηλεκτροχημικός κύκλος οξείδωσης-διάχυσης-αναγωγής-διάχυσης μπορεί να διατηρηθεί επ' αόριστον και ως εκ τούτου κλειδώνει το δυναμικό της καθόδου από επικίνδυνη υπερφόρτιση.(Ζ) Τυπικές χημικές δομές των οξειδοαναγωγικών προσθέτων σαΐτας.(Η) Μηχανισμός των πρόσθετων υπερφόρτισης διακοπής λειτουργίας που μπορούν να πολυμεριστούν ηλεκτροχημικά σε υψηλά δυναμικά.(I) Τυπικές χημικές δομές των πρόσθετων υπερφόρτισης διακοπής λειτουργίας.Τα δυναμικά εργασίας των προσθέτων παρατίθενται κάτω από κάθε μοριακή δομή στα (G), (H) και (I).
Οι διαχωριστές μπορούν να μονώσουν ηλεκτρονικά την κάθοδο και την άνοδο και να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην παρακολούθηση της κατάστασης υγείας μιας μπαταρίας επί τόπου για την αποφυγή περαιτέρω επιδείνωσης μετά το στάδιο 1. Για παράδειγμα, ένας "διλειτουργικός διαχωριστής" με διαμόρφωση τριστρωματικού πολυμερούς-μετάλλου-πολυμερούς (Εικ. 3Β) μπορεί να παρέχει μια νέα λειτουργία ανίχνευσης τάσης.Όταν ένας δενδρίτης μεγαλώσει και φτάσει στο ενδιάμεσο στρώμα, θα συνδέσει το μεταλλικό στρώμα και την άνοδο έτσι ώστε μια ξαφνική πτώση τάσης μεταξύ τους μπορεί να ανιχνευθεί αμέσως ως έξοδος.
Εκτός από την ανίχνευση, ένας διαχωριστής τριών στρωμάτων σχεδιάστηκε για να καταναλώνει τους επικίνδυνους δενδρίτες Li και να επιβραδύνει την ανάπτυξή τους μετά τη διείσδυση στον διαχωριστή.Ένα στρώμα από νανοσωματίδια πυριτίου, στριμωγμένο από δύο στρώματα εμπορικών διαχωριστών πολυολεφίνης (Εικ. 3, C και D), μπορεί να καταναλώσει τυχόν διεισδυτικούς επικίνδυνους δενδρίτες Li, βελτιώνοντας έτσι αποτελεσματικά την ασφάλεια της μπαταρίας.Η διάρκεια ζωής της προστατευμένης μπαταρίας επεκτάθηκε σημαντικά κατά περίπου πέντε φορές σε σύγκριση με αυτή που έχει συμβατικούς διαχωριστές (Εικ. 3Ε).
Προστασία υπερφόρτισης.Η υπερφόρτιση ορίζεται ως η φόρτιση μιας μπαταρίας πέρα από τη σχεδιασμένη τάση της.Η υπερφόρτιση μπορεί να προκληθεί από υψηλές ειδικές πυκνότητες ρεύματος, επιθετικά προφίλ φόρτισης κ.λπ., που μπορεί να επιφέρουν μια σειρά προβλημάτων, όπως (i) απόθεση μετάλλου Li στην άνοδο, η οποία επηρεάζει σοβαρά την ηλεκτροχημική απόδοση και την ασφάλεια της μπαταρίας.(ii) αποσύνθεση του υλικού της καθόδου, απελευθερώνοντας οξυγόνο.και (iii) αποσύνθεση του οργανικού ηλεκτρολύτη, απελευθερώνοντας θερμότητα και αέρια προϊόντα (H2, υδρογονάνθρακες, CO κ.λπ.), τα οποία ευθύνονται για τη θερμική διαφυγή.Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις κατά την αποσύνθεση είναι περίπλοκες, μερικές από τις οποίες παρατίθενται παρακάτω.
Ο αστερίσκος (*) υποδηλώνει ότι το αέριο υδρογόνο προέρχεται από το πρωτικό, αφήνοντας ομάδες που δημιουργούνται κατά την οξείδωση των ανθρακικών αλάτων στην κάθοδο, οι οποίες στη συνέχεια διαχέονται στην άνοδο που πρόκειται να αναχθεί και παράγουν Η2.
Με βάση τις διαφορές στις λειτουργίες τους, τα πρόσθετα προστασίας από υπερφόρτιση μπορούν να ταξινομηθούν ως πρόσθετα οξειδοαναγωγικής μεταφοράς και πρόσθετα τερματισμού λειτουργίας.Το πρώτο προστατεύει το στοιχείο από υπερφόρτιση αναστρέψιμα, ενώ το δεύτερο τερματίζει οριστικά τη λειτουργία του στοιχείου.
Τα πρόσθετα λεωφορείων οξειδοαναγωγής λειτουργούν μετατρέποντας ηλεκτροχημικά την υπερβολική φόρτιση που εγχέεται στην μπαταρία όταν συμβαίνει υπερφόρτιση.Όπως φαίνεται στοΕικ. 3ΣΤ, ο μηχανισμός βασίζεται σε ένα οξειδοαναγωγικό πρόσθετο που έχει δυναμικό οξείδωσης ελαφρώς χαμηλότερο από αυτό της ανοδικής αποσύνθεσης του ηλεκτρολύτη.Σε μια υπερφορτισμένη επιφάνεια καθόδου, το οξειδοαναγωγικό πρόσθετο οξειδώνεται στη μορφή [O], η οποία στη συνέχεια θα ανάγεται στην αρχική του κατάσταση [R] στην επιφάνεια της ανόδου μετά τη διάχυση μέσω του ηλεκτρολύτη.Στη συνέχεια, το ανηγμένο πρόσθετο μπορεί να διαχυθεί πίσω στην κάθοδο και ο ηλεκτροχημικός κύκλος «οξείδωσης-διάχυσης-αναγωγής-διάχυσης» μπορεί να διατηρηθεί επ' αόριστον και επομένως κλειδώνει το δυναμικό της καθόδου από περαιτέρω επικίνδυνη υπερφόρτιση.Μελέτες έχουν δείξει ότι το δυναμικό οξειδοαναγωγής των προσθέτων πρέπει να είναι περίπου 0,3 έως 0,4 V πάνω από το δυναμικό της καθόδου.
Έχει αναπτυχθεί μια σειρά από πρόσθετα με καλά προσαρμοσμένες χημικές δομές και δυναμικό οξειδοαναγωγής, συμπεριλαμβανομένων οργανομεταλλικών μεταλλοκενίων, φαινοθειαζινών, τριφαινυλαμινών, διμεθοξυβενζολίων και των παραγώγων τους και 2-(πενταφθοροφαινυλ)-τετραφθορο-1,3,2-βενζοδιοξαβορόληςΕικ. 3G).Προσαρμόζοντας μοριακές δομές, τα προσθετικά δυναμικά οξείδωσης μπορούν να ρυθμιστούν σε πάνω από 4 V, το οποίο είναι κατάλληλο για τα ταχέως αναπτυσσόμενα υλικά καθόδου και τους ηλεκτρολύτες υψηλής τάσης.Η βασική αρχή σχεδίασης περιλαμβάνει τη μείωση του υψηλότερου καταλαμβανόμενου μοριακού τροχιακού του πρόσθετου μέσω της προσθήκης υποκατάστατων που έλκουν ηλεκτρόνια, που οδηγεί σε αύξηση του δυναμικού οξείδωσης.Εκτός από τα οργανικά πρόσθετα, ορισμένα ανόργανα άλατα, τα οποία όχι μόνο μπορούν να λειτουργήσουν ως άλας ηλεκτρολύτη, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως σαΐτα οξειδοαναγωγής, όπως τα άλατα συμπλέγματος υπερφθοροβοράνιο [δηλαδή, φθοροδωδεκβορικά άλατα λιθίου (Li2B12FxH12−x)], έχουν επίσης βρεθεί ότι είναι αποτελεσματικά πρόσθετα οξειδοαναγωγικής μεταφοράς.
Τα πρόσθετα υπερφόρτισης διακοπής λειτουργίας είναι μια κατηγορία μη αναστρέψιμων πρόσθετων προστασίας από υπερφόρτιση.Λειτουργούν είτε απελευθερώνοντας αέριο σε υψηλά δυναμικά, το οποίο, με τη σειρά του, ενεργοποιεί μια συσκευή διακόπτη ρεύματος, είτε με μόνιμο ηλεκτροχημικό πολυμερισμό σε υψηλά δυναμικά για να τερματιστεί η λειτουργία της μπαταρίας πριν προκύψουν καταστροφικά αποτελέσματα.Εικ. 3Η).Παραδείγματα των πρώτων περιλαμβάνουν ξυλόλιο, κυκλοεξυλοβενζόλιο και διφαινύλιο, ενώ παραδείγματα των τελευταίων περιλαμβάνουν διφαινύλιο και άλλες υποκατεστημένες αρωματικές ενώσεις (Εικ. 3I).Οι αρνητικές επιπτώσεις των πρόσθετων τερματισμού λειτουργίας εξακολουθούν να είναι η μακροπρόθεσμη λειτουργία και η απόδοση αποθήκευσης των LIB λόγω της μη αναστρέψιμης οξείδωσης αυτών των ενώσεων.
Για την επίλυση των προβλημάτων στο στάδιο 2 (συσσώρευση θερμότητας και διαδικασία απελευθέρωσης αερίου)
Αξιόπιστα υλικά καθόδου.Οξείδια μετάλλων μεταπτώσεως λιθίου, όπως πολυεπίπεδα οξείδια LiCoO2, LiNiO2 και LiMnO2.το οξείδιο τύπου σπινελίου LiM2O4.και το πολυανιόν τύπου LiFePO4, είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα καθοδικά υλικά, τα οποία όμως έχουν θέματα ασφάλειας ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες.Μεταξύ αυτών, το δομημένο με ολιβίνη LiFePO4 είναι σχετικά ασφαλές, το οποίο είναι σταθερό μέχρι τους 400°C, ενώ το LiCoO2 αρχίζει να αποσυντίθεται στους 250°C.Ο λόγος για τη βελτιωμένη ασφάλεια του LiFePO4 είναι ότι όλα τα ιόντα οξυγόνου σχηματίζουν ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς με το P5+ για να σχηματίσουν τα τετραεδρικά πολυανιόντα PO43-, τα οποία σταθεροποιούν ολόκληρο το τρισδιάστατο πλαίσιο και παρέχουν βελτιωμένη σταθερότητα σε σύγκριση με άλλα υλικά καθόδου, αν και υπάρχουν ακόμα έχουν αναφερθεί ορισμένα ατυχήματα πυρκαγιάς μπαταρίας.Η κύρια ανησυχία για την ασφάλεια προκύπτει από την αποσύνθεση αυτών των υλικών καθόδου σε υψηλές θερμοκρασίες και την ταυτόχρονη απελευθέρωση οξυγόνου, που μαζί μπορούν να οδηγήσουν σε καύση και εκρήξεις, θέτοντας σε σοβαρό κίνδυνο την ασφάλεια της μπαταρίας.Για παράδειγμα, η κρυσταλλική δομή του στρωματοποιημένου οξειδίου LiNiO2 είναι ασταθής λόγω της ύπαρξης Ni2+, το ιοντικό μέγεθος του οποίου είναι παρόμοιο με αυτό του Li+.Ο απολιθωμένος ΛιxNiO2 (x< 1) τείνει να μετατρέπεται σε μια πιο σταθερή φάση τύπου σπινελίου LiNi2O4 (σπινέλιο) και τύπου άλατος NiO, με το οξυγόνο να απελευθερώνεται σε υγρό ηλεκτρολύτη στους περίπου 200°C, οδηγώντας σε καύση ηλεκτρολυτών.
Έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για τη βελτίωση της θερμικής σταθερότητας αυτών των καθοδικών υλικών με ντόπινγκ ατόμων και προστατευτικές επικαλύψεις επιφανειών.
Το ντόπινγκ ατόμων μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη θερμική σταθερότητα των στρωμένων υλικών οξειδίου λόγω των σταθεροποιημένων κρυσταλλικών δομών που προκύπτουν.Η θερμική σταθερότητα του LiNiO2 ή του Li1.05Mn1.95O4 μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με μερική υποκατάσταση του Ni ή του Mn με άλλα μεταλλικά κατιόντα, όπως Co, Mn, Mg και Al.Για το LiCoO2, η εισαγωγή στοιχείων ντόπινγκ και κράματος όπως Ni και Mn μπορεί να αυξήσει δραστικά τη θερμοκρασία έναρξης της αποσύνθεσηςTdec, ενώ παράλληλα αποφεύγονται αντιδράσεις με ηλεκτρολύτη σε υψηλές θερμοκρασίες.Ωστόσο, οι αυξήσεις στη θερμική σταθερότητα της καθόδου γενικά συνοδεύονται από θυσίες σε ειδική χωρητικότητα.Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, έχει αναπτυχθεί ένα υλικό καθόδου βαθμίδωσης συγκέντρωσης για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου που βασίζεται σε οξείδιο του μαγγανίου κοβαλτίου νικελίου λιθίου (Εικ. 4Α) .Σε αυτό το υλικό, κάθε σωματίδιο έχει έναν κεντρικό όγκο πλούσιο σε Ni και ένα εξωτερικό στρώμα πλούσιο σε Mn, με μείωση της συγκέντρωσης Ni και αύξηση των συγκεντρώσεων Mn και Co καθώς προσεγγίζεται η επιφάνεια (Εικ. 4Β).Το πρώτο παρέχει υψηλή χωρητικότητα, ενώ το δεύτερο βελτιώνει τη θερμική σταθερότητα.Αυτό το νέο υλικό καθόδου αποδείχθηκε ότι βελτιώνει την ασφάλεια των μπαταριών χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ηλεκτροχημική τους απόδοση (Εικ. 4Γ).
Εικ. 4 Στρατηγικές για την επίλυση των προβλημάτων στο στάδιο 2: Αξιόπιστες κάθοδοι.
(Α) Σχηματικό διάγραμμα ενός σωματιδίου θετικού ηλεκτροδίου με έναν πυρήνα πλούσιο σε Ni που περιβάλλεται από ένα εξωτερικό στρώμα βαθμίδωσης συγκέντρωσης.Κάθε σωματίδιο έχει έναν κεντρικό όγκο Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 πλούσιο σε Ni και ένα εξωτερικό στρώμα πλούσιο σε Mn [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] με φθίνουσα συγκέντρωση Ni και αυξανόμενες συγκεντρώσεις Mn και Co καθώς πλησιάζει η επιφάνεια.Το πρώτο παρέχει υψηλή χωρητικότητα, ενώ το δεύτερο βελτιώνει τη θερμική σταθερότητα.Η μέση σύνθεση είναι Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.Μια ηλεκτρονική μικρογραφία σάρωσης ενός τυπικού σωματιδίου εμφανίζεται επίσης στα δεξιά.(Β) Αποτελέσματα μικροανάλυσης ακτίνων Χ με ηλεκτρονικό ανιχνευτή του τελικού λιθιωμένου οξειδίου Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2.Οι σταδιακές αλλαγές συγκέντρωσης των Ni, Mn και Co στο ενδιάμεσο στρώμα είναι εμφανείς.Η συγκέντρωση Ni μειώνεται και οι συγκεντρώσεις Co και Mn αυξάνονται προς την επιφάνεια.(Γ) Ίχνη θερμιδομετρίας διαφορικής σάρωσης (DSC) που δείχνουν ροή θερμότητας από την αντίδραση του ηλεκτρολύτη με υλικό βαθμίδωσης συγκέντρωσης Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, το πλούσιο σε Ni κεντρικό υλικό Li(Ni0.8Co0.1Mn0). 1)O2, και το πλούσιο σε Mn εξωτερικό στρώμα [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].Τα υλικά φορτώθηκαν στα 4,3 V. (Α), (Β) και (C) αναπαράγονται με άδεια από την Springer Nature.(D) Αριστερά: Εικόνα φωτεινού πεδίου με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM) του επικαλυμμένου με νανοσωματίδια AlPO4 LiCoO2.Η φασματομετρία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας επιβεβαιώνει τα συστατικά Al και P στο στρώμα επικάλυψης.Δεξιά: Εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης που δείχνει τα νανοσωματίδια AlPO4 (~3 nm σε διάμετρο) στο στρώμα επίστρωσης νανοκλίμακας.τα βέλη υποδεικνύουν τη διεπαφή μεταξύ του στρώματος AlPO4 και του LiCoO2.(Ε) Αριστερά: Μια εικόνα κυψέλης που περιέχει μια γυμνή κάθοδο LiCoO2 μετά τη δοκιμή υπερφόρτισης 12 V.Η κυψέλη κάηκε και εξερράγη σε αυτή την τάση.Δεξιά: Μια εικόνα μιας κυψέλης που περιέχει το επικαλυμμένο με νανοσωματίδια AlPO4 LiCoO2 μετά τη δοκιμή υπερφόρτισης 12 V.Τα (D) και (E) αναπαράγονται με άδεια από τον John Wiley and Sons.
Μια άλλη στρατηγική για τη βελτίωση της θερμικής σταθερότητας είναι η επίστρωση του υλικού της καθόδου με ένα προστατευτικό λεπτό στρώμα θερμικά σταθερών αγώγιμων ενώσεων Li+, οι οποίες μπορούν να αποτρέψουν την άμεση επαφή των υλικών καθόδου με τον ηλεκτρολύτη και έτσι να μειώσουν τις πλευρικές αντιδράσεις και την παραγωγή θερμότητας.Οι επικαλύψεις μπορεί να είναι είτε ανόργανες μεμβράνες [για παράδειγμα, ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3, κ.λπ.], οι οποίες μπορούν να μεταφέρουν ιόντα λιθίου μετά τη λιθίωση (Εικ. 4, D και E), ή οργανικές μεμβράνες, όπως χλωριούχο πολυ(διαλλυλδιμεθυλαμμώνιο), προστατευτικές μεμβράνες που σχηματίζονται από πρόσθετα γ-βουτυρολακτόνης και πρόσθετα πολλαπλών συστατικών (που αποτελούνται από ανθρακικό βινυλένιο, θειώδες 1,3-προπυλένιο και διμεθυλακεταμίδιο).
Η εισαγωγή μιας επίστρωσης με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας είναι επίσης αποτελεσματική για την αύξηση της ασφάλειας της καθόδου.Για παράδειγμα, οι κάθοδοι LiCoO2 επικαλυμμένες με πολυ(3-δεκυλοθειοφαίνιο) μπορούν να διακόψουν τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις και τις πλευρικές αντιδράσεις όταν η θερμοκρασία ανέλθει στους >80°C, καθώς το αγώγιμο στρώμα πολυμερούς μπορεί να μετατραπεί γρήγορα σε κατάσταση υψηλής αντίστασης.Οι επικαλύψεις αυτοτερματιζόμενων ολιγομερών με υπερ-διακλαδισμένη αρχιτεκτονική μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως θερμικά αποκρινόμενο στρώμα μπλοκαρίσματος για τη διακοπή λειτουργίας της μπαταρίας από την πλευρά της καθόδου.
Θερμικά μεταγωγή συλλέκτη ρεύματος.Η διακοπή των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων κατά την αύξηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας στο στάδιο 2 μπορεί αποτελεσματικά να αποτρέψει την περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας.Ένας γρήγορος και αναστρέψιμος θερμοαπόκριτος διακόπτης πολυμερούς (TRPS) έχει ενσωματωθεί εσωτερικά στον συλλέκτη ρεύματος (Εικ. 5Α) .Η λεπτή μεμβράνη TRPS αποτελείται από αγώγιμα σωματίδια νανοδομημένου νικελίου (GrNi) επικαλυμμένα με γραφένιο ως αγώγιμο υλικό πλήρωσης και μια μήτρα PE με μεγάλο συντελεστή θερμικής διαστολής (α ~ 10−4 K−1).Οι σύνθετες μεμβράνες πολυμερών όπως κατασκευάζονται παρουσιάζουν υψηλή αγωγιμότητα (σ) σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά όταν η θερμοκρασία πλησιάζει τη θερμοκρασία μεταγωγής (Ts), η αγωγιμότητα μειώνεται εντός 1 δευτερολέπτου κατά επτά έως οκτώ τάξεις μεγέθους ως αποτέλεσμα της διαστολής του όγκου του πολυμερούς, η οποία διαχωρίζει τα αγώγιμα σωματίδια και σπάει τις αγώγιμες οδούς (Εικ. 5Β).Η μεμβράνη γίνεται αμέσως μονωτική και έτσι τερματίζει τη λειτουργία της μπαταρίας (Εικ. 5Γ).Αυτή η διαδικασία είναι εξαιρετικά αναστρέψιμη και μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και μετά από πολλαπλά συμβάντα υπερθέρμανσης χωρίς να διακυβεύεται η απόδοση.
Εικ. 5 Στρατηγικές για την επίλυση των προβλημάτων στο στάδιο 2.
(Α) Σχηματική απεικόνιση του μηχανισμού θερμικής μεταγωγής του συλλέκτη ρεύματος TRPS.Η ασφαλής μπαταρία έχει έναν ή δύο συλλέκτες ρεύματος επικαλυμμένους με ένα λεπτό στρώμα TRPS.Λειτουργεί κανονικά σε θερμοκρασία δωματίου.Ωστόσο, σε περίπτωση υψηλής θερμοκρασίας ή μεγάλου ρεύματος, η μήτρα του πολυμερούς διαστέλλεται, διαχωρίζοντας έτσι τα αγώγιμα σωματίδια, γεγονός που μπορεί να μειώσει την αγωγιμότητά του, αυξάνοντας σημαντικά την αντίστασή του και κλείνοντας τη μπαταρία.Η δομή της μπαταρίας μπορεί έτσι να προστατεύεται χωρίς ζημιά.Κατά την ψύξη, το πολυμερές συρρικνώνεται και ανακτά τις αρχικές αγώγιμες οδούς.(Β) Μεταβολές ειδικής αντίστασης διαφορετικών φιλμ TRPS ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένων των PE/GrNi με διαφορετικές φορτίσεις GrNi και PP/GrNi με φόρτιση 30% (v/v) GrNi.(Γ) Περίληψη χωρητικότητας της ασφαλούς μπαταρίας LiCoO2 που κυκλώνει μεταξύ 25°C και τερματισμού λειτουργίας.Η σχεδόν μηδενική χωρητικότητα στους 70°C υποδηλώνει πλήρη διακοπή λειτουργίας.Τα (A), (B) και (C) αναπαράγονται με άδεια από την Springer Nature.(Δ) Σχηματική αναπαράσταση της ιδέας τερματισμού λειτουργίας με βάση μικροσφαίρες για LIB.Τα ηλεκτρόδια λειτουργούν με θερμοανταποκρινόμενες μικροσφαίρες που, πάνω από μια κρίσιμη εσωτερική θερμοκρασία μπαταρίας, υφίστανται θερμική μετάβαση (τήξη).Οι λιωμένες κάψουλες επικαλύπτουν την επιφάνεια του ηλεκτροδίου, σχηματίζοντας ένα ιοντικά μονωτικό φράγμα και κλείνοντας το στοιχείο της μπαταρίας.(Ε) Μια λεπτή και αυτόνομη ανόργανη σύνθετη μεμβράνη αποτελούμενη από 94% σωματίδια αλουμίνας και 6% συνδετικό καουτσούκ στυρενίου-βουταδιενίου (SBR) παρασκευάστηκε με μια μέθοδο χύτευσης διαλύματος.Δεξιά: Φωτογραφίες που δείχνουν τη θερμική σταθερότητα του ανόργανου σύνθετου διαχωριστή και του διαχωριστή PE.Οι διαχωριστές διατηρήθηκαν στους 130°C για 40 λεπτά.Η ΠΕ συρρικνώθηκε σημαντικά από την περιοχή με το διακεκομμένο τετράγωνο.Ωστόσο, ο σύνθετος διαχωριστής δεν παρουσίασε εμφανή συρρίκνωση.Αναπαράγεται με άδεια από την Elsevier.(ΣΤ) Μοριακή δομή ορισμένων πολυμερών υψηλής θερμοκρασίας τήξης ως διαχωριστικών υλικών με συρρίκνωση χαμηλής υψηλής θερμοκρασίας.Επάνω: πολυιμίδιο (PI).Μέση: κυτταρίνη.Κάτω: τερεφθαλικό πολυ(βουτυλένιο).(Ζ) Αριστερά: Σύγκριση των φασμάτων DSC του PI με τον διαχωριστή PE και PP.ο διαχωριστής PI παρουσιάζει εξαιρετική θερμική σταθερότητα στο εύρος θερμοκρασίας από 30° έως 275°C.Δεξιά: Φωτογραφίες ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής που συγκρίνουν τη διαβρεξιμότητα ενός εμπορικού διαχωριστή και του συνθετικού διαχωριστή PI με ηλεκτρολύτη ανθρακικού προπυλενίου.Αναπαράγεται με άδεια από την Αμερικανική Χημική Εταιρεία.
Διαχωριστές θερμικής διακοπής λειτουργίας.Μια άλλη στρατηγική για την πρόληψη της θερμικής διαρροής των μπαταριών κατά τη διάρκεια του σταδίου 2 είναι να κλείσει η οδός αγωγιμότητας των ιόντων λιθίου μέσω του διαχωριστή.Οι διαχωριστές είναι βασικά εξαρτήματα για την ασφάλεια των LIB, καθώς εμποδίζουν την άμεση ηλεκτρική επαφή μεταξύ της καθόδου υψηλής ενέργειας και των υλικών ανόδου, ενώ επιτρέπουν την ιοντική μεταφορά.Το PP και το PE είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά, αλλά έχουν κακή θερμική σταθερότητα, με σημεία τήξης ~165° και ~135°C, αντίστοιχα.Για το εμπορικό LIB, διαχωριστές με δομή τριών στρωμάτων PP/PE/PP έχουν ήδη κυκλοφορήσει στο εμπόριο, όπου το PE είναι ένα προστατευτικό μεσαίο στρώμα.Όταν η εσωτερική θερμοκρασία της μπαταρίας αυξάνεται πάνω από μια κρίσιμη θερμοκρασία (~130°C), το πορώδες στρώμα PE λιώνει μερικώς, κλείνοντας τους πόρους του φιλμ και εμποδίζοντας τη μετανάστευση ιόντων στον υγρό ηλεκτρολύτη, ενώ το στρώμα PP παρέχει μηχανική υποστήριξη για την αποφυγή εσωτερικών βραχυκύκλωμα .Εναλλακτικά, ο θερμικά επαγόμενος τερματισμός λειτουργίας του LIB μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τη χρήση θερμοανταποκρινόμενων μικροσφαιρών πολυαιθυλενίου ή παραφίνης ως προστατευτικού στρώματος των ανόδων ή των διαχωριστών της μπαταρίας.Όταν η θερμοκρασία της εσωτερικής μπαταρίας φτάσει σε μια κρίσιμη τιμή, οι μικροσφαίρες λιώνουν και επικαλύπτουν την άνοδο/διαχωριστή με ένα μη διαπερατό φράγμα, σταματώντας τη μεταφορά ιόντων λιθίου και κλείνοντας μόνιμα το στοιχείο (Εικ. 5Δ).
Διαχωριστές με υψηλή θερμική σταθερότητα.Για τη βελτίωση της θερμικής σταθερότητας των διαχωριστών μπαταριών, έχουν αναπτυχθεί δύο προσεγγίσεις τα τελευταία χρόνια:
(1) Διαχωριστές ενισχυμένοι με κεραμικά, κατασκευασμένοι είτε με άμεση επίστρωση είτε με ανάπτυξη επί της επιφάνειας κεραμικών στρωμάτων όπως SiO2 και Al2O3 σε υπάρχουσες επιφάνειες διαχωριστή πολυολεφινών ή με ενσωματωμένες κεραμικές σκόνες στα πολυμερή υλικά (Εικ. 5Ε), παρουσιάζουν πολύ υψηλά σημεία τήξης και υψηλή μηχανική αντοχή και επίσης έχουν σχετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα.Μερικοί σύνθετοι διαχωριστές που κατασκευάζονται μέσω αυτής της στρατηγικής έχουν εμπορευματοποιηθεί, όπως το Separion (εμπορική ονομασία).
(2) Η αλλαγή των υλικών διαχωρισμού από πολυολεφίνη σε πολυμερή υψηλής θερμοκρασίας τήξης με χαμηλή συρρίκνωση κατά τη θέρμανση, όπως πολυιμίδιο, κυτταρίνη, τερεφθαλικό πολυ(βουτυλένιο) και άλλοι ανάλογοι πολυ(εστέρες), είναι μια άλλη αποτελεσματική στρατηγική για τη βελτίωση της θερμικής σταθερότητας των διαχωριστών (Εικ. 5ΣΤ).Για παράδειγμα, το πολυιμίδιο είναι ένα θερμοσκληρυνόμενο πολυμερές που θεωρείται ευρέως ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση λόγω της εξαιρετικής θερμικής σταθερότητάς του (σταθερό πάνω από 400°C), της καλής χημικής αντοχής, της υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό, της καλής διαβρεξιμότητας του ηλεκτρολύτη και της επιβράδυνσης φλόγας.Εικ. 5G) .
Πακέτα μπαταριών με λειτουργία ψύξης.Συστήματα θερμικής διαχείρισης σε κλίμακα συσκευής που ενεργοποιούνται από την κυκλοφορία αέρα ή υγρής ψύξης έχουν χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας και την επιβράδυνση των αυξήσεων της θερμοκρασίας.Επιπλέον, υλικά αλλαγής φάσης όπως το κερί παραφίνης έχουν ενσωματωθεί σε πακέτα μπαταριών για να λειτουργούν ως ψύκτρα για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας τους, αποφεύγοντας έτσι την κατάχρηση θερμοκρασίας.
Για την επίλυση των προβλημάτων στο στάδιο 3 (καύση και έκρηξη)
Η θερμότητα, το οξυγόνο και τα καύσιμα, γνωστά ως «τρίγωνο της φωτιάς», είναι τα απαραίτητα συστατικά για τις περισσότερες πυρκαγιές.Με τη συσσώρευση θερμότητας και οξυγόνου που παράγεται κατά τα στάδια 1 και 2, το καύσιμο (δηλαδή οι πολύ εύφλεκτοι ηλεκτρολύτες) θα αρχίσει αυτόματα να καίγεται.Η μείωση της ευφλεκτότητας των διαλυτών ηλεκτρολυτών είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια της μπαταρίας και για περαιτέρω εφαρμογές μεγάλης κλίμακας των LIB.
Πρόσθετα επιβραδυντικά φλόγας.Τεράστιες ερευνητικές προσπάθειες έχουν αφιερωθεί στην ανάπτυξη πρόσθετων επιβραδυντικών φλόγας για τη μείωση της ευφλεκτότητας των υγρών ηλεκτρολυτών.Τα περισσότερα από τα επιβραδυντικά φλόγας πρόσθετα που χρησιμοποιούνται σε υγρούς ηλεκτρολύτες βασίζονται σε οργανικές ενώσεις φωσφόρου ή οργανικές αλογονωμένες ενώσεις.Καθώς τα αλογόνα είναι επικίνδυνα για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία, οι οργανικές ενώσεις φωσφόρου είναι πιο υποσχόμενοι υποψήφιοι ως πρόσθετα επιβραδυντικά φλόγας λόγω της υψηλής ικανότητας επιβράδυνσης της φλόγας και της φιλικότητας προς το περιβάλλον.Τυπικές οργανικές ενώσεις φωσφόρου περιλαμβάνουν φωσφορικό τριμεθυλεστέρα, φωσφορικό τριφαινυλεστέρα, δις(2-μεθοξυαιθοξυ)μεθυλαλλυλφωσφονικό, τρις(2,2,2-τριφθοροαιθυλ) φωσφορώδες, (αιθοξυ)πενταφθοροκυκλοτριφωσφαζένιο, αιθυλενιοτριφωσφαζένιο, κ.λπ.Εικ. 6Α).Ο μηχανισμός για τα αποτελέσματα της επιβράδυνσης της φλόγας αυτών των ενώσεων που περιέχουν φώσφορο γενικά πιστεύεται ότι είναι μια διαδικασία δέσμευσης χημικών ριζών.Κατά τη διάρκεια της καύσης, τα μόρια που περιέχουν φώσφορο μπορούν να αποσυντεθούν σε είδη ελεύθερων ριζών που περιέχουν φώσφορο, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να τερματίσουν τις ρίζες (για παράδειγμα, ρίζες Η και ΟΗ) που δημιουργούνται κατά τη διάδοση της αλυσιδωτής αντίδρασης που είναι υπεύθυνες για τη συνεχή καύση (Εικ. 6, Β και Γ).Δυστυχώς, η μείωση της ευφλεκτότητας με την προσθήκη αυτών των επιβραδυντικών φλόγας που περιέχουν φώσφορο έρχεται σε βάρος της ηλεκτροχημικής απόδοσης.Για να βελτιωθεί αυτή η αντιστάθμιση, άλλοι ερευνητές έχουν κάνει ορισμένες τροποποιήσεις στη μοριακή τους δομή: (i) η μερική φθορίωση των φωσφορικών αλκυλίων μπορεί να βελτιώσει την αναγωγική τους σταθερότητα και την αποτελεσματικότητά τους στη φλόγα.(ii) η χρήση ενώσεων που έχουν προστατευτικές ιδιότητες σχηματισμού φιλμ και επιβραδυντικών φλόγας, όπως το δις(2-μεθοξυαιθοξυ)μεθυλαλλυλφωσφονικό, όπου οι αλλυλικές ομάδες μπορούν να πολυμεριστούν και να σχηματίσουν ένα σταθερό φιλμ SEI σε επιφάνειες γραφίτη, αποτρέποντας έτσι αποτελεσματικά την επικίνδυνη πλευρά αντιδράσεις?(iii) αλλαγή του φωσφορικού P(V) σε φωσφορώδες P(III), που διευκολύνουν το σχηματισμό SEI και είναι ικανά να απενεργοποιήσουν τον επικίνδυνο PF5 [για παράδειγμα, τρις(2,2,2-τριφθοροαιθυλ) φωσφορώδες άλας].και (iv) αντικατάσταση των οργανοφωσφορικών προσθέτων με κυκλικά φωσφαζένια, ιδιαίτερα φθοριούχο κυκλοφωσφαζένιο, τα οποία έχουν ενισχυμένη ηλεκτροχημική συμβατότητα.
Εικ. 6 Στρατηγικές για την επίλυση των προβλημάτων στο στάδιο 3.
(Α) Τυπικές μοριακές δομές πρόσθετων επιβραδυντικών φλόγας.(Β) Ο μηχανισμός για τα αποτελέσματα επιβράδυνσης της φλόγας αυτών των ενώσεων που περιέχουν φώσφορο γενικά πιστεύεται ότι είναι μια διαδικασία δέσμευσης χημικών ριζών, η οποία μπορεί να τερματίσει τις ριζικές αλυσιδωτές αντιδράσεις που είναι υπεύθυνες για την αντίδραση καύσης στην αέρια φάση.TPP, φωσφορικός τριφαινυλεστέρας.(Γ) Ο χρόνος αυτοσβέσεως (SET) του τυπικού ανθρακικού ηλεκτρολύτη μπορεί να μειωθεί σημαντικά με την προσθήκη φωσφορικού τριφαινυλίου.(D) Σχηματική απεικόνιση του «έξυπνου» ηλεκτροϊνοποιημένου διαχωριστή με θερμικά ενεργοποιούμενες ιδιότητες επιβραδυντικής φλόγας για LIB.Ο ελεύθερος διαχωριστής αποτελείται από μικροΐνες με δομή πυρήνα-κέλυφος, όπου το επιβραδυντικό φλόγας είναι ο πυρήνας και το πολυμερές είναι το κέλυφος.Κατά τη θερμική ενεργοποίηση, το πολυμερές κέλυφος λιώνει και στη συνέχεια το ενθυλακωμένο επιβραδυντικό φλόγας απελευθερώνεται στον ηλεκτρολύτη, καταστέλλοντας έτσι αποτελεσματικά την ανάφλεξη και την καύση των ηλεκτρολυτών.(Ε) Η εικόνα SEM των μικροϊνών TPP@PVDF-HFP μετά τη χάραξη δείχνει ξεκάθαρα τη δομή πυρήνα-κέλυφος τους.Μπάρα ζυγαριάς, 5 μm.(ΣΤ) Τυπικές μοριακές δομές ιοντικού υγρού σε θερμοκρασία δωματίου που χρησιμοποιούνται ως μη εύφλεκτοι ηλεκτρολύτες για LIB.(Ζ) Η μοριακή δομή του PFPE, ενός μη εύφλεκτου υπερφθοριωμένου αναλόγου PEO.Δύο ομάδες ανθρακικού μεθυλίου τροποποιούνται στους ακροδέκτες των πολυμερών αλυσίδων για να διασφαλιστεί η συμβατότητα των μορίων με τα τρέχοντα συστήματα μπαταριών.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχει πάντα μια αντιστάθμιση μεταξύ της μειωμένης ευφλεκτότητας του ηλεκτρολύτη και της απόδοσης του στοιχείου για τα πρόσθετα που αναφέρονται, αν και αυτός ο συμβιβασμός έχει βελτιωθεί μέσω των παραπάνω μοριακών σχεδίων.Μια άλλη προτεινόμενη στρατηγική για την επίλυση αυτού του προβλήματος περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του επιβραδυντικού φλόγας μέσα στο προστατευτικό πολυμερές κέλυφος των μικροϊνών, οι οποίες στοιβάζονται περαιτέρω για να σχηματίσουν έναν μη υφασμένο διαχωριστή (Εικ. 6Δ) .Κατασκευάστηκε ένας νέος μη υφαντός διαχωριστής μικροϊνών με ηλεκτροϊνοποίηση με ιδιότητες επιβραδυντικής φλόγας που ενεργοποιούνται από τη θερμότητα για LIB.Η ενθυλάκωση του επιβραδυντικού φλόγας μέσα στο προστατευτικό πολυμερές κέλυφος αποτρέπει την άμεση έκθεση του επιβραδυντικού φλόγας στον ηλεκτρολύτη, αποτρέποντας τις αρνητικές επιπτώσεις από τα επιβραδυντικά στην ηλεκτροχημική απόδοση της μπαταρίας (Εικ. 6Ε).Ωστόσο, εάν παρουσιαστεί θερμική διαφυγή της μπαταρίας LIB, το κέλυφος συμπολυμερούς πολυ(βινυλιδενοφθοριδίου-εξαφθοροπροπυλενίου) (PVDF-HFP) θα λιώσει καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.Στη συνέχεια, το ενθυλακωμένο επιβραδυντικό φλόγας τριφαινυλοφωσφορικό άλας θα απελευθερωθεί στον ηλεκτρολύτη, καταστέλλοντας έτσι αποτελεσματικά την καύση των πολύ εύφλεκτων ηλεκτρολυτών.
Για την επίλυση αυτού του διλήμματος αναπτύχθηκε επίσης μια ιδέα «ηλεκτρολύτη συμπυκνωμένου άλατος».Αυτοί οι πυροσβεστικοί οργανικοί ηλεκτρολύτες για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες περιέχουν LiN(SO2F)2 ως άλας και ένα δημοφιλές επιβραδυντικό φλόγας του φωσφορικού τριμεθυλεστέρα (TMP) ως μοναδικό διαλύτη.Ο αυθόρμητος σχηματισμός ενός ισχυρού ανόργανου SEI που προέρχεται από αλάτι στην άνοδο είναι ζωτικής σημασίας για σταθερή ηλεκτροχημική απόδοση.Αυτή η νέα στρατηγική μπορεί να επεκταθεί σε διάφορα άλλα επιβραδυντικά φλόγας και μπορεί να ανοίξει μια νέα οδό για την ανάπτυξη νέων διαλυτών επιβραδυντικών φλόγας για ασφαλέστερα LIB.
Μη εύφλεκτοι υγροί ηλεκτρολύτες.Μια τελική λύση στα ζητήματα ασφάλειας του ηλεκτρολύτη θα ήταν η ανάπτυξη εγγενώς μη εύφλεκτων ηλεκτρολυτών.Μια ομάδα μη εύφλεκτων ηλεκτρολυτών που έχει μελετηθεί εκτενώς είναι τα ιοντικά υγρά, ειδικά τα ιοντικά υγρά σε θερμοκρασία δωματίου, τα οποία είναι μη πτητικά (χωρίς ανιχνεύσιμη τάση ατμών κάτω από 200°C) και μη εύφλεκτα και έχουν μεγάλο παράθυρο θερμοκρασίας (Εικ. 6ΣΤ) .Ωστόσο, απαιτείται συνεχής έρευνα για την επίλυση των ζητημάτων της ικανότητας χαμηλού ρυθμού που προκύπτουν από το υψηλό τους ιξώδες, τον χαμηλό αριθμό μεταφοράς Li, την καθοδική ή αναγωγική αστάθεια και το υψηλό κόστος των ιοντικών υγρών.
Οι υδροφθοραιθέρες χαμηλού μοριακού βάρους είναι μια άλλη κατηγορία μη εύφλεκτων υγρών ηλεκτρολυτών λόγω του υψηλού ή μηδενικού σημείου ανάφλεξης, της μη αναφλεξιμότητας, της χαμηλής επιφανειακής τάσης, του χαμηλού ιξώδους, της χαμηλής θερμοκρασίας κατάψυξης κ.λπ.Θα πρέπει να γίνει κατάλληλος μοριακός σχεδιασμός για να προσαρμοστούν οι χημικές τους ιδιότητες ώστε να πληρούν τα κριτήρια των ηλεκτρολυτών της μπαταρίας.Ένα ενδιαφέρον παράδειγμα που αναφέρθηκε πρόσφατα είναι ο υπερφθοροπολυαιθέρας (PFPE), ένα ανάλογο υπερφθοριωμένου πολυαιθυλενοξειδίου (PEO) που είναι ευρέως γνωστό για την μη εύφλεκτη ικανότητα του (Εικ. 6G) .Δύο ομάδες ανθρακικού μεθυλίου τροποποιούνται στις τερματικές ομάδες των αλυσίδων PFPE (PFPE-DMC) για να διασφαλιστεί η συμβατότητα των μορίων με τα τρέχοντα συστήματα μπαταριών.Έτσι, η μη αναφλεξιμότητα και η θερμική σταθερότητα των PFPE μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ασφάλεια των LIB αυξάνοντας παράλληλα τον αριθμό μεταφοράς ηλεκτρολυτών λόγω του μοναδικού σχεδιασμού της μοριακής δομής.
Το στάδιο 3 είναι το τελευταίο αλλά ιδιαίτερα κρίσιμο στάδιο για τη διαδικασία θερμικής διαφυγής.Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αν και έχουν καταβληθεί μεγάλες προσπάθειες για τη μείωση της ευφλεκτότητας του υγρού ηλεκτρολύτη τελευταίας τεχνολογίας, η χρήση ηλεκτρολυτών στερεάς κατάστασης που είναι μη πτητικές δείχνει πολλά υποσχόμενη.Οι στερεοί ηλεκτρολύτες εμπίπτουν κυρίως σε δύο κατηγορίες: ανόργανους κεραμικούς ηλεκτρολύτες [σουλφίδια, οξείδια, νιτρίδια, φωσφορικά άλατα, κ.λπ.] και στερεούς ηλεκτρολύτες πολυμερών [μείγματα αλάτων Li με πολυμερή, όπως πολυ(αιθυλενοξείδιο), πολυακρυλονιτρίλιο, κ.λπ.].Οι προσπάθειες για τη βελτίωση των στερεών ηλεκτρολυτών δεν θα αναλυθούν εδώ, καθώς αυτό το θέμα έχει ήδη συνοψιστεί καλά σε αρκετές πρόσφατες ανασκοπήσεις.
ΑΠΟΨΗ
Στο παρελθόν, πολλά νέα υλικά έχουν αναπτυχθεί για τη βελτίωση της ασφάλειας της μπαταρίας, αν και το πρόβλημα δεν έχει ακόμη λυθεί πλήρως.Επιπλέον, οι μηχανισμοί που διέπουν τα ζητήματα ασφάλειας διαφέρουν για κάθε διαφορετική χημεία μπαταρίας.Επομένως, θα πρέπει να σχεδιαστούν συγκεκριμένα υλικά προσαρμοσμένα για διαφορετικές μπαταρίες.Πιστεύουμε ότι πρέπει να ανακαλυφθούν πιο αποτελεσματικές μέθοδοι και καλά σχεδιασμένα υλικά.Εδώ, παραθέτουμε πολλές πιθανές οδηγίες για μελλοντική έρευνα για την ασφάλεια των μπαταριών.
Πρώτον, είναι σημαντικό να αναπτυχθούν in situ ή in operando μέθοδοι για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση των εσωτερικών συνθηκών υγείας των LIB.Για παράδειγμα, η διαδικασία θερμικής διαφυγής σχετίζεται στενά με την αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας ή πίεσης εντός των LIB.Ωστόσο, η κατανομή της θερμοκρασίας μέσα στις μπαταρίες είναι μάλλον περίπλοκη και απαιτούνται μέθοδοι για την ακριβή παρακολούθηση των τιμών των ηλεκτρολυτών και των ηλεκτροδίων, καθώς και των διαχωριστών.Επομένως, η δυνατότητα μέτρησης αυτών των παραμέτρων για διαφορετικά εξαρτήματα είναι κρίσιμης σημασίας για τη διάγνωση και συνεπώς την πρόληψη των κινδύνων για την ασφάλεια της μπαταρίας.
Η θερμική σταθερότητα των διαχωριστών είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια της μπαταρίας.Τα πρόσφατα αναπτυγμένα πολυμερή με υψηλά σημεία τήξης είναι αποτελεσματικά στην αύξηση της θερμικής ακεραιότητας του διαχωριστή.Ωστόσο, οι μηχανικές τους ιδιότητες εξακολουθούν να είναι κατώτερες, μειώνοντας σημαντικά τη δυνατότητα επεξεργασίας τους κατά τη συναρμολόγηση της μπαταρίας.Επιπλέον, η τιμή είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για πρακτικές εφαρμογές.
Η ανάπτυξη στερεών ηλεκτρολυτών φαίνεται να είναι η απόλυτη λύση για τα θέματα ασφάλειας των LIB.Ο στερεός ηλεκτρολύτης θα μειώσει σημαντικά την πιθανότητα εσωτερικού βραχυκυκλώματος της μπαταρίας, μαζί με τον κίνδυνο πυρκαγιών και εκρήξεων.Αν και έχουν καταβληθεί μεγάλες προσπάθειες για την ανάπτυξη στερεών ηλεκτρολυτών, η απόδοσή τους συνεχίζει να υστερεί πολύ σε σχέση με αυτή των υγρών ηλεκτρολυτών.Τα σύνθετα υλικά ανόργανων και πολυμερών ηλεκτρολυτών παρουσιάζουν μεγάλες δυνατότητες, αλλά απαιτούν λεπτό σχεδιασμό και προετοιμασία.Τονίζουμε ότι ο σωστός σχεδιασμός των διεπαφών ανόργανου πολυμερούς και η μηχανική της ευθυγράμμισής τους είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική μεταφορά ιόντων λιθίου.
Πρέπει να σημειωθεί ότι ο υγρός ηλεκτρολύτης δεν είναι το μόνο συστατικό της μπαταρίας που είναι εύφλεκτο.Για παράδειγμα, όταν τα LIB είναι πολύ φορτισμένα, τα εύφλεκτα υλικά λιθιώδους ανόδου (για παράδειγμα, λιθιωμένος γραφίτης) αποτελούν επίσης μεγάλη ανησυχία για την ασφάλεια.Τα επιβραδυντικά φλόγας που μπορούν να επιβραδύνουν αποτελεσματικά τις πυρκαγιές υλικών στερεάς κατάστασης απαιτούνται ιδιαίτερα για να αυξήσουν την ασφάλειά τους.Τα επιβραδυντικά φλόγας μπορούν να αναμιχθούν με τον γραφίτη με τη μορφή συνδετικών πολυμερών ή αγώγιμων πλαισίων.
Η ασφάλεια της μπαταρίας είναι ένα αρκετά περίπλοκο και περίπλοκο πρόβλημα.Το μέλλον της ασφάλειας των μπαταριών απαιτεί περισσότερες προσπάθειες σε θεμελιώδεις μηχανιστικές μελέτες για βαθύτερη κατανόηση εκτός από πιο προηγμένες μεθόδους χαρακτηρισμού, οι οποίες μπορούν να προσφέρουν περαιτέρω πληροφορίες για τον σχεδιασμό υλικών.Αν και αυτή η ανασκόπηση εστιάζει στην ασφάλεια σε επίπεδο υλικών, θα πρέπει να σημειωθεί ότι απαιτείται περαιτέρω μια ολιστική προσέγγιση για την επίλυση του ζητήματος ασφάλειας των LIB, όπου τα υλικά, τα εξαρτήματα και η μορφή κυψελών και η μονάδα και τα πακέτα μπαταριών παίζουν εξίσου ρόλο για να γίνουν οι μπαταρίες αξιόπιστες πριν κυκλοφορούν στην αγορά.
ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΚΑΙ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, Υλικά για ασφάλεια μπαταρίας ιόντων λιθίου, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-05-2021
