Abstract
Ang mga baterya sa lithium-ion (LIBs) giisip nga usa sa labing hinungdanon nga teknolohiya sa pagtipig sa enerhiya.Samtang nagkadako ang densidad sa enerhiya sa mga baterya, ang kaluwasan sa baterya mahimong mas kritikal kung ang enerhiya gipagawas nga wala tuyoa.Ang mga aksidente nga may kalabutan sa mga sunog ug pagbuto sa mga LIB kanunay mahitabo sa tibuok kalibutan.Ang uban nagpahinabog seryoso nga mga hulga sa kinabuhi ug kahimsog sa tawo ug misangpot sa daghang paghinumdom sa mga produkto sa mga tiggama.Kini nga mga insidente mga pahinumdom nga ang kaluwasan usa ka kinahanglanon alang sa mga baterya, ug ang mga seryoso nga isyu kinahanglan nga masulbad sa dili pa ang umaabot nga paggamit sa mga high-energy nga sistema sa baterya.Kini nga Pagrepaso nagtumong sa pag-summarize sa mga sukaranan sa gigikanan sa mga isyu sa kaluwasan sa LIB ug ipasiugda ang bag-o nga hinungdanon nga pag-uswag sa disenyo sa mga materyales aron mapaayo ang kaluwasan sa LIB.Gipaabut namon nga kini nga Pagrepaso magdasig sa dugang nga pag-uswag sa kaluwasan sa baterya, labi na alang sa mga nag-uswag nga LIB nga adunay taas nga densidad sa enerhiya.
ANG SINUGDANAN SA LIB SAFETY ISSUES
Ang organic liquid electrolyte sulod sa LIBs kay intrinsically masunog.Usa sa labing katalagman nga mga kapakyasan sa usa ka LIB nga sistema mao ang cascading thermal runaway nga panghitabo, nga giisip nga panguna nga hinungdan sa mga kabalaka sa kaluwasan sa baterya.Sa kinatibuk-an, ang thermal runaway mahitabo kung ang usa ka exothermic nga reaksyon dili makontrol.Samtang ang temperatura sa baterya mosaka sa ibabaw sa ~ 80 ° C, ang exothermic nga kemikal nga reaksyon rate sa sulod sa mga baterya nagdugang ug dugang nga pagpainit sa selula, nga miresulta sa usa ka positibo nga feedback cycle.Ang padayon nga pagtaas sa temperatura mahimong moresulta sa mga sunog ug pagbuto, labi na sa dagkong mga pakete sa baterya.Busa, ang pagsabot sa mga hinungdan ug proseso sa thermal runaway mahimong makagiya sa disenyo sa functional nga mga materyales aron mapalambo ang kaluwasan ug kasaligan sa LIBs.Ang proseso sa thermal runaway mahimong bahinon sa tulo ka yugto, ingon nga gisumada saFig. 1.
Fig. 1 Tulo ka ang-ang alang sa proseso sa thermal runaway.
Stage 1: Ang pagsugod sa sobrang kainit.Ang mga baterya nausab gikan sa usa ka normal ngadto sa usa ka abnormal nga kahimtang, ug ang internal nga temperatura magsugod sa pagdugang.Stage 2: Pagtigum sa init ug proseso sa pagpagawas sa gas.Ang internal nga temperatura dali nga mosaka, ug ang baterya moagi sa exothermal nga mga reaksyon.Stage 3: Pagsunog ug pagbuto.Ang masunog nga electrolyte mosunog, nga mosangpot sa mga sunog ug bisan sa mga pagbuto.
Ang pagsugod sa sobrang kainit (stage 1)
Ang thermal runaway nagsugod gikan sa sobrang kainit sa sistema sa baterya.Ang inisyal nga overheating mahimong mahitabo tungod sa pag-charge sa baterya lapas sa gidesinyo nga boltahe (overcharging), exposure sa sobra nga temperatura, external short circuits tungod sa faulty wiring, o internal short circuits tungod sa cell defects.Taliwala niini, ang internal shorting mao ang nag-unang rason sa thermal runaway ug medyo lisud kontrolahon.Ang internal shorting mahimong mahitabo sa mga kahimtang sa cell crush sama sa external metal debris penetration;pagbangga sa sakyanan;pagporma sa lithium dendrite ubos sa taas nga kasamtangan nga densidad nga pag-charge, ubos sa sobra nga mga kondisyon sa pag-charge o sa ubos nga temperatura;ug mga depekto nga separator nga gihimo atol sa battery assembly, sa paghingalan sa pipila.Pananglitan, sa sayong bahin sa Oktubre 2013, usa ka Tesla nga sakyanan duol sa Seattle ang naigo sa metal nga mga tinumpag nga milapos sa taming ug sa battery pack.Ang mga tinumpag milapos sa mga polymer separator ug direkta nga nagkonektar sa cathode ug anode, hinungdan nga ang baterya nag-short-circuit ug nasunog;sa 2016, ang Samsung Note 7 nga mga sunog sa baterya tungod sa agresibo nga ultrathin separator nga dali nga nadaot sa gawas nga presyur o ang welding burrs sa positibo nga electrode, hinungdan nga ang baterya sa short-circuit .
Atol sa yugto 1, ang operasyon sa baterya mausab gikan sa normal ngadto sa abnormal nga kahimtang, ug ang tanang isyu nga gilista sa ibabaw makapainit sa baterya.Kung ang internal nga temperatura magsugod sa pagtaas, ang yugto 1 matapos ug ang yugto 2 magsugod.
Pagtipon sa init ug proseso sa pagpagawas sa gas (yugto 2)
Sa pagsugod sa yugto 2, ang internal nga temperatura dali nga motaas, ug ang baterya moagi sa mosunod nga mga reaksyon (kini nga mga reaksyon wala mahitabo sa tukma nga gihatag nga han-ay; ang uban niini mahimong mahitabo nga dungan):
(1) Solid electrolyte interphase (SEI) decomposition tungod sa sobrang kainit o pisikal nga pagsulod.Ang SEI layer nag-una nga naglangkob sa stable (sama sa LiF ug Li2CO3) ug metastable [sama sa polymers, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2, ug ROLi] nga mga sangkap.Bisan pa, ang mga metatable nga sangkap mahimong madunot nga exothermically sa halos> 90 ° C, nga nagpagawas sa mga masunog nga gas ug oxygen.Dad-a ang (CH2OCO2Li)2 isip pananglitan
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) Uban sa pagkadunot sa SEI, ang temperatura nagtukod, ug ang lithium metal o intercalated lithium sa anode mo-reaksyon sa mga organikong solvent sa electrolyte, nga magpagawas sa flammable hydrocarbon gas (ethane, methane, ug uban pa).Kini usa ka exothermic nga reaksyon nga nagpapataas sa temperatura.
(3) Kanus-aT> ~130°C, ang polyethylene (PE)/polypropylene (PP) separator magsugod sa pagkatunaw, nga dugang nga makadaut sa sitwasyon ug hinungdan sa usa ka mubo nga sirkito tali sa cathode ug sa anode.
(4) Sa ngadtongadto, ang kainit maoy hinungdan sa pagkadunot sa lithium metal oxide cathode nga materyal ug moresulta sa pagpagawas sa oksiheno.Dad-a ang LiCoO2 isip pananglitan, nga mahimong madunot sugod sa ~180°C sama sa mosunod
Ang pagkaguba sa cathode hilabihan usab nga exothermic, dugang nga pagdugang sa temperatura ug presyur ug, ingon nga resulta, dugang nga pagpadali sa mga reaksyon.
Atol sa yugto 2, ang temperatura motaas ug ang oksiheno natipon sulod sa mga baterya.Ang proseso sa thermal runaway mopadayon gikan sa stage 2 ngadto sa stage 3 sa diha nga adunay igo nga oxygen ug init nga natipon alang sa pagkasunog sa baterya.
Pagkasunog ug pagbuto (yugto 3)
Sa yugto 3, magsugod ang pagkasunog.Ang mga electrolyte sa LIB kay organic, nga halos unibersal nga kombinasyon sa cyclic ug linear alkyl carbonates.Sila adunay taas nga volatility ug intrinsically kaayo masunog.Pagkuha sa popular nga gigamit nga carbonate electrolyte [ang sagol nga ethylene carbonate (EC) + dimethyl carbonate (DMC) (1:1 sa gibug-aton)] isip usa ka pananglitan, nagpakita kini og presyur sa alisngaw nga 4.8 kPa sa temperatura sa lawak ug hilabihan ka ubos nga flash point. sa 25° ± 1°C sa presyur sa hangin nga 1.013 bar .Ang gipagawas nga oxygen ug kainit sa yugto 2 naghatag sa gikinahanglan nga mga kondisyon alang sa pagkasunog sa mga masunog nga organikong electrolyte, sa ingon hinungdan sa mga peligro sa sunog o pagbuto.
Sa yugto 2 ug 3, ang mga exothermic nga reaksyon mahitabo ubos sa duol-adiabatic nga mga kondisyon.Busa, ang accelerated rate calorimetry (ARC) kay kaylap nga gigamit nga teknik nga nagsundog sa palibot sulod sa LIBs, nga nagpadali sa atong pagsabot sa thermal runaway reaction kinetics.Hulagway 2nagpakita sa usa ka tipikal nga ARC curve sa usa ka LIB nga natala atol sa thermal abuse tests.Ang pag-simulate sa pagtaas sa temperatura sa yugto 2, ang usa ka eksternal nga gigikanan sa kainit nagdugang sa temperatura sa baterya sa pagsugod sa temperatura.Labaw sa kini nga temperatura, ang SEI madunot, nga magpahinabog daghang mga reaksiyon sa kemikal nga exothermic.Sa kadugayan, ang separator matunaw.Ang rate sa pagpainit sa kaugalingon motaas pagkahuman, nga mosangput sa pagdagan sa kainit (kung ang rate sa pagpainit sa kaugalingon> 10 ° C / min) ug pagkasunog sa electrolyte (yugto 3).
Ang anode mao ang mesocarbon microbead graphite.Ang cathode mao ang LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.Ang electrolyte kay 1.2 M LiPF6 sa EC/PC/DMC.Usa ka Celgard 2325 trilayer separator ang gigamit.Gipahiangay uban sa pagtugot gikan sa Electrochemical Society Inc.
Kinahanglang hinumdoman nga ang mga reaksyon nga gihulagway sa ibabaw dili estrikto nga mahitabo sunodsunod sa gihatag nga han-ay.Kini, hinoon, komplikado ug sistematikong mga isyu.
MGA MATERYAL NGA MAY GI-INPROVE NGA BATTERY SAFETY
Base sa pagsabot sa battery thermal runaway, daghang mga pamaagi ang gitun-an, uban ang tumong sa pagpakunhod sa mga peligro sa kaluwasan pinaagi sa makatarunganon nga disenyo sa mga sangkap sa baterya.Sa misunod nga mga seksyon, among gi-summarize ang lain-laing mga materyal nga pamaagi sa pagpauswag sa pagkaluwas sa baterya, pagsulbad sa mga problema nga katugbang sa lain-laing mga yugto sa thermal runaway.
Aron masulbad ang mga problema sa yugto 1 (ang pagsugod sa sobrang kainit)
Kasaligang anode nga mga materyales.Ang Li dendrite formation sa anode sa LIB nagsugod sa unang yugto sa thermal runaway.Bisan pa nga kini nga isyu gipagaan sa mga anod sa komersyal nga LIBs (pananglitan, carbonaceous anodes), ang Li dendrite formation wala pa hingpit nga napugngan.Pananglitan, sa komersyal nga LIBs, dendrite deposition mahitabo sa preferentially sa graphite electrode ngilit kon ang anodes ug cathodes dili maayo nga pagpares.Dugang pa, ang dili husto nga mga kondisyon sa operasyon sa LIBs mahimo usab nga moresulta sa Li metal deposition nga adunay pagtubo sa dendrite.Nahibal-an kaayo nga ang dendrite dali nga maporma kung ang baterya gi-charge (i) sa taas nga mga densidad sa karon kung diin ang deposition sa Li nga metal mas paspas kaysa sa pagsabwag sa Li ion sa bulk graphite;(ii) ubos sa overcharging nga mga kondisyon sa diha nga graphite mao ang overlithiated;ug (iii) sa ubos nga temperatura [pananglitan, subambient nga temperatura (~ 0°C)], tungod sa pagtaas sa viscosity sa liquid electrolyte ug sa dugang nga Li-ion diffusion resistance.
Gikan sa punto sa panglantaw sa mga materyal nga kabtangan, ang gamut gigikanan pagtino sa pagsugod sa Li dendrite pagtubo sa anode mao ang dili lig-on ug nonuniform SEI, nga maoy hinungdan sa dili patas nga lokal nga kasamtangan nga-apod-apod.Ang mga sangkap sa electrolyte, labi na ang mga additives, gisusi aron mapaayo ang pagkaparehas sa SEI ug pagwagtang sa pagporma sa Li dendrite.Ang kasagarang mga additives naglakip sa dili organikong mga compound [pananglitan, CO2, LiI, ug uban pa] ug mga organikong compound nga adunay unsaturated carbon bonds sama sa vinylene carbonate ug maleimide additives;dili lig-on nga cyclic molekula sama sa butyrolactone, ethylene sulfite, ug ang ilang mga derivatives;ug fluorinated compounds sama sa fluoroethylene carbonate, ug uban pa.Bisan sa lebel sa mga bahin-per-milyon, kini nga mga molekula mahimo pa nga magpauswag sa SEI morphology, sa ingon homogenizing ang Li-ion flux ug mawagtang ang posibilidad sa pagporma sa Li dendrite.
Sa kinatibuk-an, ang mga hagit sa Li dendrite anaa gihapon sa graphite o carbonaceous anodes ug silicon / SiO nga adunay mga sunod nga henerasyon nga anodes.Ang pagsulbad sa isyu sa pagtubo sa Li dendrite usa ka hagit nga hinungdanon alang sa pagpahiangay sa high-energy density nga Li-ion chemistries sa umaabot nga umaabot.Kinahanglan nga matikdan nga, bag-o lang, daghang mga paningkamot ang gihalad sa pagsulbad sa isyu sa Li dendrite formation sa puro nga Li metal anodes pinaagi sa homogenizing sa Li-ion flux sa panahon sa Li deposition;pananglitan, protective layer coating , artificial SEI engineering , ug uban pa. Niini nga aspeto, ang pipila sa mga pamaagi mahimong makahatag ug kahayag kon unsaon pag-atubang ang isyu sa carbonaceous anodes sa LIBs usab.
Multifunctional liquid electrolytes ug separator.Ang likido nga electrolyte ug separator adunay hinungdanon nga papel sa pisikal nga pagbulag sa high-energy cathode ug anode.Sa ingon, ang maayong pagkadisenyo nga multifunctional electrolytes ug separator mahimo nga makapanalipod sa mga baterya sa sayo nga yugto sa pagdagan sa thermal sa baterya (yugto 1).
Aron mapanalipdan ang mga baterya gikan sa mekanikal nga pagdugmok, usa ka shear thickening liquid electrolyte ang nakuha pinaagi sa yano nga pagdugang sa fumed silica ngadto sa carbonate electrolyte (1 M LiFP6 sa EC/DMC) .Sa mekanikal nga presyur o epekto, ang pluwido nagpakita sa usa ka shear thickening effect nga adunay pagtaas sa viscosity, busa mawala ang impact energy ug nagpakita sa pagkamatugtanon sa pagdugmok (Hulagway 3A)
Fig. 3 Mga estratehiya sa pagsulbad sa mga isyu sa yugto 1.
(A) Shear thickening electrolyte.Ibabaw: Para sa normal nga electrolyte, ang mekanikal nga epekto mahimong mosangpot sa internal shorting sa baterya, hinungdan sa mga sunog ug mga pagbuto.Ubos: Ang nobela nga smart electrolyte nga adunay shear thickening effect ubos sa pressure o impact nagpakita sa maayo kaayong pagkamatugtanon sa pagdugmok, nga makapauswag sa mekanikal nga kaluwasan sa mga baterya.(B) Bifunctional separator alang sa sayo nga pagkakita sa lithium dendrites.Ang pagporma sa dendrite sa usa ka tradisyonal nga lithium nga baterya, diin ang kompleto nga pagsulod sa separator pinaagi sa usa ka lithium dendrite makita lamang kung ang baterya mapakyas tungod sa usa ka internal nga short circuit.Sa pagtandi, ang usa ka lithium nga baterya nga adunay bifunctional separator (nga naglangkob sa usa ka conducting layer nga gisudlan sa taliwala sa duha ka conventional separator), diin ang sobra nga lithium dendrite motuhop sa separator ug makigkontak sa conducting copper layer, nga miresulta sa usa ka drop saVCu−Li, nga nagsilbing pasidaan sa umaabot nga kapakyasan tungod sa internal short circuit.Bisan pa, ang tibuuk nga baterya nagpabilin nga luwas nga magamit nga adunay potensyal nga dili zero.Ang (A) ug (B) gipasibo o gikopya uban ang pagtugot gikan sa Springer Nature.(C) Trilayer separator aron makonsumo ang peligro nga Li dendrites ug mapalawig ang kinabuhi sa baterya.Wala: Lithium anodes daling maporma dendritic deposito, nga anam-anam nga motubo nga mas dako ug motuhop sa inert polymer separator.Sa diha nga ang mga dendrite sa katapusan magkonektar sa cathode ug anode, ang baterya mubo-circuited ug mapakyas.Tuo: Usa ka lut-od sa silica nanoparticle ang gisudlan sa duha ka lut-od sa commercial polymer separator.Busa, sa diha nga ang lithium dendrites motubo ug motuhop sa separator, sila makontak sa silica nanoparticle sa sandwiched layer ug electrochemically maut-ut.(D) Pag-scan sa electron microscopy (SEM) nga imahe sa silica nanoparticle sandwiched separator.(E) Kasagaran nga boltahe batok sa profile sa oras sa usa ka Li / Li nga baterya nga adunay naandan nga separator (pula nga kurba) ug ang silica nanoparticle sandwiched trilayer separator (itom nga kurba) nga gisulayan ubos sa parehas nga mga kondisyon.Ang (C), (D), ug (E) gikopya uban ang pagtugot gikan ni John Wiley and Sons.(F) Schematic nga paghulagway sa mga mekanismo sa redox shuttle additives.Sa usa ka overcharged cathode surface, ang redox additive kay oxidized ngadto sa porma [O], nga sa ulahi makunhuran balik sa iyang orihinal nga kahimtang [R] sa ibabaw sa anode pinaagi sa diffusion pinaagi sa electrolyte.Ang electrochemical cycle sa oxidation-diffusion-reduction-diffusion mahimong mamentinar hangtod sa hangtod ug busa maka-lock sa potensyal sa cathode gikan sa peligroso nga overcharging.(G) Kasagaran nga kemikal nga istruktura sa redox shuttle additives.(H) Mekanismo sa pagsira sa overcharge additives nga mahimong electrochemically polymerize sa taas nga potensyal.(I) Kasagaran nga kemikal nga mga istruktura sa pagsira sa sobra nga bayad nga mga additives.Ang mga potensyal sa pagtrabaho sa mga additives gilista ubos sa matag istruktura sa molekula sa (G), (H), ug (I).
Ang mga separator makahimo sa elektronik nga pag-insulate sa cathode ug anode ug adunay importante nga papel sa pag-monitor sa kondisyon sa panglawas sa usa ka baterya sa situ aron mapugngan ang dugang nga pagkadaut sa milabay nga yugto 1. Pananglitan, ang usa ka "bifunctional separator" nga adunay polymer-metal-polymer trilayer configuration (Hulagway 3B) makahatag ug bag-ong boltahe-sensing function.Kung ang usa ka dendrite motubo ug makaabut sa intermediate layer, kini magkonektar sa metal nga layer ug ang anode sa ingon nga ang usa ka kalit nga pag-drop sa boltahe sa taliwala nila mamatikdan dayon ingon usa ka output.
Gawas sa detection, ang usa ka trilayer separator gidesinyo sa pagkonsumo sa delikado nga Li dendrites ug pagpahinay sa ilang pagtubo human sa pagsulod sa separator.Usa ka layer sa silica nanoparticle, nga gisudlan sa duha ka mga layer sa komersyal nga polyolefin separator (Fig. 3, C ug D), makaut-ot sa bisan unsa nga makalusot nga peligroso nga Li dendrites, sa ingon epektibo nga makapauswag sa kaluwasan sa baterya.Ang kinabuhi sa giprotektahan nga baterya labi nga gipalawig sa gibana-bana nga lima ka beses kung itandi sa adunay naandan nga mga separator (Hulagway 3E).
Proteksyon sa sobra nga bayad.Ang overcharging gihubit ingon nga pag-charge sa usa ka baterya nga lapas sa gidisenyo nga boltahe niini.Ang pag-overcharging mahimong ma-trigger sa taas nga espesipikong kasamtangan nga densidad, agresibo nga mga profile sa pag-charge, ug uban pa, nga makapahinabog sunodsunod nga mga problema, lakip ang (i) pagdeposito sa Li metal sa anode, nga seryosong makaapekto sa electrochemical performance ug kaluwasan sa baterya;(ii) pagkadunot sa cathode nga materyal, pagpagawas sa oxygen;ug (iii) pagkadunot sa organikong electrolyte, nagpagawas sa kainit ug gas nga mga produkto (H2, hydrocarbons, CO, ug uban pa), nga maoy responsable sa thermal runaway .Ang electrochemical reactions atol sa decomposition komplikado, ang uban niini gilista sa ubos.
Ang asterisk (*) nagpasabot nga ang hydrogen gas naggikan sa protic, nga nagbilin sa mga grupo nga namugna sa panahon sa oksihenasyon sa carbonates sa cathode, nga unya mokatap ngadto sa anode aron makunhoran ug makamugna og H2.
Pinasukad sa mga kalainan sa ilang mga gimbuhaton, ang sobra nga bayad nga proteksyon nga mga additives mahimong maklasipikar ingon redox shuttle additives ug shutdown additives.Ang nahauna nanalipod sa cell gikan sa overcharge nga mabalik, samtang ang naulahi nagtapos sa cell operation nga permanente.
Ang redox shuttle additives naglihok pinaagi sa electrochemically shunting sa sobra nga bayad nga gi-inject sa baterya kung mahitabo ang overcharge.Ingon sa gipakita saHulagway 3F, ang mekanismo gibase sa usa ka redox additive nga adunay potensyal sa oksihenasyon nga mas ubos kay sa electrolyte anodic decomposition.Sa usa ka overcharged cathode surface, ang redox additive kay oxidized ngadto sa porma [O], nga sa sunod nga pagkunhod balik sa iyang orihinal nga kahimtang [R] sa ibabaw sa anode human sa diffusion pinaagi sa electrolyte.Pagkahuman, ang gipakunhod nga additive mahimong mokaylap balik sa cathode, ug ang electrochemical cycle sa "oxidation-diffusion-reduction-diffusion" mahimong mapadayon hangtod sa hangtod ug busa ma-lock ang potensyal sa cathode gikan sa labi ka peligro nga overcharging.Gipakita sa mga pagtuon nga ang potensyal sa redox sa mga additives kinahanglan nga mga 0.3 hangtod 0.4 V labaw sa potensyal sa cathode.
Usa ka serye sa mga additives nga adunay maayo nga pagkahan-ay nga kemikal nga mga istruktura ug redox nga mga potensyal nga naugmad, lakip ang organometallic metallocenes, phenothiazines, triphenylamines, dimethoxybenzenes ug ilang mga derivatives, ug 2-(pentafluorophenyl) -tetrafluoro-1,3,2-benzodioxaboroleHulagway 3G).Pinaagi sa pagpahiangay sa mga istruktura sa molekula, ang mga potensyal sa pagdugang sa oksihenasyon mahimong ma-tono sa labaw sa 4 V, nga angay alang sa paspas nga pag-uswag sa taas nga boltahe nga mga materyales sa cathode ug electrolytes.Ang sukaranang prinsipyo sa disenyo naglakip sa pagpaubos sa pinakataas nga na-okupar nga molecular orbital sa additive pinaagi sa pagdugang sa electron-withdraw substitutes, nga mosangpot sa pagtaas sa oxidation potential.Gawas sa mga organikong additives, ang pipila ka dili organikong mga asin, nga dili lamang magamit ingon nga electrolyte salt apan mahimo usab nga magsilbi nga redox shuttle, sama sa perfluoroborane cluster salts [nga mao, lithium fluorododecaborates (Li2B12F).xH12−x)], nakaplagan usab nga episyente nga redox shuttle additives .
Ang pag-shutdown sa overcharge nga mga additives usa ka klase sa dili mabalik nga overcharge nga proteksyon nga mga additives.Naglihok sila pinaagi sa pagpagawas sa gas sa taas nga mga potensyal, nga, sa baylo, nagpalihok sa usa ka kasamtangan nga interrupter nga aparato, o pinaagi sa permanente nga electrochemically polymerizing sa taas nga mga potensyal aron tapuson ang operasyon sa baterya sa wala pa mahitabo ang mga sangputanan sa katalagman (Hulagway 3H).Ang mga pananglitan sa nauna naglakip sa xylene, cyclohexylbenzene, ug biphenyl, samtang ang mga pananglitan sa naulahi naglakip sa biphenyl ug uban pang gipuli nga mga aromatic compound (Hulagway 3I).Ang mga negatibo nga epekto sa mga additives sa pagsira mao gihapon ang dugay nga operasyon ug pasundayag sa pagtipig sa mga LIB tungod sa dili mabag-o nga oksihenasyon sa kini nga mga compound.
Aron masulbad ang mga problema sa yugto 2 (pagtipon sa kainit ug proseso sa pagpagawas sa gas)
Kasaligan nga mga materyales sa cathode.Lithium transition metal oxides, sama sa layered oxides LiCoO2, LiNiO2, ug LiMnO2;ang spinel-type nga oxide nga LiM2O4;ug ang polyanion type LiFePO4, kay popular nga gigamit nga mga materyales sa cathode, nga, bisan pa, adunay mga isyu sa kaluwasan labi na sa taas nga temperatura.Lakip kanila, ang olivine-structured LiFePO4 medyo luwas, nga lig-on hangtod sa 400 ° C, samtang ang LiCoO2 nagsugod sa pagkadunot sa 250 ° C.Ang rason alang sa mas maayo nga kaluwasan sa LiFePO4 mao nga ang tanan nga mga oxygen ions nagporma lig-on nga covalent bonds uban sa P5+ sa pagporma sa PO43− tetrahedral polyanions, nga stabilize sa tibuok tulo-ka-dimensional nga gambalay ug naghatag og mas maayo nga kalig-on itandi sa uban nga mga cathode materyales, bisan pa adunay pipila ka mga aksidente sa sunog sa baterya nga gitaho.Ang panguna nga kahingawa sa kahilwasan naggikan sa pagkadunot sa kini nga mga materyales sa cathode sa taas nga temperatura ug ang dungan nga pagpagawas sa oksiheno, nga mahimo’g mosangput sa pagkasunog ug pagbuto, nga grabe nga nakompromiso ang kaluwasan sa baterya.Pananglitan, ang kristal nga istruktura sa layered oxide LiNiO2 dili lig-on tungod sa paglungtad sa Ni2+, ang ionic nga gidak-on niini susama sa Li+.Ang delithiated nga si LixNiO2 (xAng <1) lagmit nga magbag-o ngadto sa usa ka mas lig-on nga spinel-type nga hugna nga LiNi2O4 (spinel) ug rocksalt-type nga NiO, nga adunay oxygen nga gipagawas sa likido nga electrolyte sa mga 200 ° C, nga nagdala sa pagkasunog sa electrolyte.
Daghang mga paningkamot ang gihimo aron mapauswag ang kalig-on sa init sa kini nga mga materyales sa cathode pinaagi sa doping sa atomo ug mga panalipod sa nawong sa nawong.
Atom doping mahimo kamahinungdanon sa pagdugang sa kainit kalig-on sa mga layered oxide nga mga materyales tungod sa resulta stabilized kristal nga mga istruktura.Ang kalig-on sa kainit sa LiNiO2 o Li1.05Mn1.95O4 mahimong mapauswag pag-ayo pinaagi sa partial substitution sa Ni o Mn sa ubang mga metal nga kasyon, sama sa Co, Mn, Mg, ug Al.Alang sa LiCoO2, ang pagpaila sa doping ug alloying nga mga elemento sama sa Ni ug Mn mahimo’g madugangan ang temperatura sa pagsugod sa pagkadunot.TDisyembre, samtang naglikay usab sa mga reaksiyon sa electrolyte sa taas nga temperatura.Bisan pa, ang pagtaas sa kalig-on sa thermal sa cathode sa kinatibuk-an moabut uban ang mga sakripisyo sa piho nga kapasidad.Aron masulbad kini nga problema, ang usa ka konsentrasyon-gradient cathode nga materyal alang sa rechargeable nga mga baterya sa lithium base sa usa ka layered nga lithium nickel cobalt manganese oxide naugmad (Hulagway 4A.Niini nga materyal, ang matag partikulo adunay Ni-rich central bulk ug usa ka Mn-rich sa gawas nga layer, nga adunay pagkunhod sa Ni nga konsentrasyon ug pagdugang sa Mn ug Co nga konsentrasyon samtang ang nawong nagkaduol (Hulagway 4B).Ang nahauna naghatag ug taas nga kapasidad, samtang ang ulahi nagpauswag sa kalig-on sa kainit.Kini nga nobela nga cathode nga materyal gipakita aron mapaayo ang kaluwasan sa mga baterya nga wala ikompromiso ang ilang electrochemical performance (Hulagway 4C).
Fig. 4 Mga estratehiya sa pagsulbad sa mga isyu sa yugto 2: Kasaligang mga cathode.
(A) Schematic diagram sa usa ka positibo nga electrode particle nga adunay usa ka Ni-rich core nga gilibutan sa usa ka konsentrasyon-gradient sa gawas nga layer.Ang matag partikulo adunay Ni-rich central bulk Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 ug usa ka Mn-rich outer layer [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] uban ang pagkunhod sa Ni concentration ug pagdugang sa Mn ug Co concentrations samtang nagkaduol ang nawong.Ang nahauna naghatag og taas nga kapasidad, samtang ang naulahi nagpauswag sa kalig-on sa kainit.Ang kasagaran nga komposisyon mao ang Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.Ang usa ka scanning electron micrograph sa usa ka tipikal nga partikulo gipakita usab sa tuo.(B) Electron-probe x-ray microanalysis resulta sa katapusan nga lithiated oxide Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2.Ang anam-anam nga pagbag-o sa konsentrasyon sa Ni, Mn, ug Co sa interlayer makita.Ang konsentrasyon sa Ni mikunhod, ug ang mga konsentrasyon sa Co ug Mn nagdugang sa ibabaw.(C) Differential scanning calorimetry (DSC) pagsubay nga nagpakita sa kainit dagan gikan sa reaksyon sa electrolyte uban sa konsentrasyon-gradient materyal Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18) O2, ang Ni-dato sentral nga materyal nga Li (Ni0.8Co0.1Mn0. 1)O2, ug ang Mn-dato sa gawas nga layer [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].Ang mga materyales gikargahan sa 4.3 V. (A), (B), ug (C) gikopya uban ang pagtugot gikan sa Springer Nature.(D) Wala: Transmission electron microscopy (TEM) bright-field image sa AlPO4 nanoparticle-coated LiCoO2;energy dispersive x-ray spectrometry nagpamatuod sa Al ug P component sa coating layer.Tuo: High-resolution TEM nga hulagway nga nagpakita sa AlPO4 nanoparticle (~3 nm ang diametro) sa nanoscale coating layer;ang mga pana nagpakita sa interface tali sa AlPO4 layer ug LiCoO2.(E) Wala: Usa ka hulagway sa usa ka cell nga adunay sulod nga LiCoO2 cathode human sa 12-V overcharge nga pagsulay.Ang selda nasunog ug nibuto sa maong boltahe.Tuo: Usa ka hulagway sa usa ka selula nga adunay AlPO4 nanoparticle-coated LiCoO2 human sa 12-V overcharge test.Ang (D) ug (E) gikopya uban ang pagtugot gikan ni John Wiley and Sons.
Ang laing estratehiya aron mapalambo ang kalig-on sa kainit mao ang pagsul-ob sa materyal nga cathode nga adunay panalipod nga manipis nga layer sa mga thermally stable nga Li + nga nagpahigayon nga mga compound, nga makapugong sa direktang kontak sa mga materyales sa cathode nga adunay electrolyte ug sa ingon makunhuran ang mga reaksyon sa kilid ug henerasyon sa kainit.Ang mga coatings mahimo nga dili organikong mga pelikula [pananglitan, ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3, ug uban pa], nga mahimo’g magdumala sa mga Li ion pagkahuman sa lithiated (Fig. 4, D ug E), o mga organikong pelikula, sama sa poly(diallyldimethylammonium chloride), protective films nga naporma sa γ-butyrolactone additives, ug multicomponent additives (nga gilangkoban sa vinylene carbonate, 1,3-propylene sulfite, ug dimethylacetamide) .
Ang pagpaila sa usa ka coating nga adunay positibo nga temperatura coefficient epektibo usab alang sa pagdugang sa kaluwasan sa cathode.Pananglitan, ang poly(3-decylthiophene)–nga adunay sapaw nga LiCoO2 cathodes makapahunong sa electrochemical reactions ug side reactions sa higayon nga ang temperatura mosaka ngadto sa>80°C, tungod kay ang conductive polymer layer mahimong paspas nga mausab ngadto sa highly resistive state.Ang mga coating sa self-terminated oligomer nga adunay hyper-branched nga arkitektura mahimo usab nga molihok isip usa ka thermally responsive blocking layer aron masira ang baterya gikan sa cathode nga bahin.
Ang thermally switchable nga kolektor sa kasamtangan.Ang pagsira sa mga electrochemical reaction sa panahon sa pagtaas sa temperatura sa baterya sa stage 2 epektibong makapugong sa temperatura nga motaas pa.Ang usa ka paspas ug mabalik nga thermoresponsive polymer switching (TRPS) gilakip sa sulod sa kasamtangan nga kolektor (Hulagway 5A.Ang TRPS thin film naglangkob sa conductive graphene-coated spiky nanostructured nickel (GrNi) particles isip conductive filler ug PE matrix nga adunay dako nga thermal expansion coefficient (α ~ 10−4 K−1).Ang as-fabricated nga polymer composite nga mga pelikula nagpakita sa taas nga conductivity (σ) sa temperatura sa lawak, apan sa dihang ang temperatura moduol sa switching temperature (Ts), ang conductivity mikunhod sulod sa 1 s sa pito ngadto sa walo ka order sa magnitude isip resulta sa polymer volume expansion, nga nagbulag sa conductive particle ug nagbungkag sa conductive pathways (Hulagway 5B).Ang pelikula diha-diha dayon nahimong insulating ug sa ingon mihunong sa operasyon sa baterya (Hulagway 5C).Kini nga proseso labi ka mabalik ug mahimo’g molihok bisan pagkahuman sa daghang mga panghitabo sa sobrang kainit nga wala ikompromiso ang pasundayag.
Fig. 5 Mga estratehiya sa pagsulbad sa mga isyu sa yugto 2.
(A) Schematic nga ilustrasyon sa thermal switching mechanism sa TRPS current collector.Ang luwas nga baterya adunay usa o duha ka kasamtangan nga mga kolektor nga adunay sapaw sa nipis nga TRPS layer.Naglihok kini nga normal sa temperatura sa kwarto.Bisan pa, sa kaso sa taas nga temperatura o dako nga kasamtangan, ang polymer matrix nagpalapad, sa ingon nagbulag sa mga partikulo sa conductive, nga makapakunhod sa conductivity niini, makadugang pag-ayo sa resistensya niini ug mapalong ang baterya.Ang istruktura sa baterya sa ingon mapanalipdan nga wala’y kadaot.Sa pagpabugnaw, ang polymer mokunhod ug mabawi ang orihinal nga conductive nga mga agianan.(B) Ang mga pagbag-o sa resistensya sa lainlaing TRPS nga mga pelikula ingon usa ka function sa temperatura, lakip ang PE / GrNi nga adunay lainlaing mga pagkarga sa GrNi ug PP / GrNi nga adunay 30% (v / v) nga pagkarga sa GrNi.(C) Kapasidad summary sa luwas nga LiCoO2 battery cycling tali sa 25°C ug shutdown.Ang hapit-zero nga kapasidad sa 70°C nagpaila sa hingpit nga pagsira.(A), (B), ug (C) gikopya uban sa pagtugot gikan sa Springer Nature.(D) Eskematiko nga representasyon sa microsphere-based shutdown nga konsepto para sa LIBs.Ang mga electrodes gipaandar sa thermoresponsive microspheres nga, labaw sa usa ka kritikal nga internal nga temperatura sa baterya, moagi sa usa ka thermal transition (matunaw).Ang tinunaw nga mga kapsula nagsul-ob sa nawong sa elektrod, nga nagporma og ionically insulating barrier ug gipalong ang battery cell.(E) Usa ka manipis ug nagbarug sa kaugalingon nga dili organikong composite lamad nga gilangkuban sa 94% nga mga partikulo sa alumina ug 6% nga styrene-butadiene rubber (SBR) binder giandam pinaagi sa pamaagi sa paghulma sa solusyon.Tuo: Mga litrato nga nagpakita sa thermal stability sa inorganic composite separator ug sa PE separator.Ang mga separator gihimo sa 130 ° C sulod sa 40 min.Ang PE makahuluganon nga mikunhod gikan sa lugar nga adunay tuldok nga kwadro.Bisan pa, ang composite separator wala magpakita sa klaro nga pagkunhod.Giprodyus uban ang pagtugot gikan sa Elsevier.(F) Molekular nga estraktura sa pipila ka taas nga pagtunaw sa temperatura nga mga polimer isip separator nga mga materyales nga adunay ubos nga taas nga temperatura nga pagkunhod.Ibabaw: polyimide (PI).Tunga: cellulose.Ubos: poly(butylene) terephthalate.(G) Wala: Pagkumpara sa DSC spectra sa PI sa PE ug PP separator;ang PI separator nagpakita sa maayo kaayo nga thermal stability sa temperatura range gikan sa 30° ngadto sa 275°C.Tuo: Mga litrato sa digital camera nga nagtandi sa pagkabasa sa usa ka commercial separator ug sa as-synthesized PI separator nga adunay propylene carbonate electrolyte.Giprodyus uban ang pagtugot gikan sa American Chemical Society.
Mga separator sa thermal shutdown.Ang laing estratehiya sa pagpugong sa mga baterya gikan sa thermal runaway atol sa stage 2 mao ang pagsira sa conduction pathway sa Li ions pinaagi sa separator.Ang mga separator usa ka hinungdanon nga sangkap alang sa kaluwasan sa mga LIB, tungod kay gipugngan nila ang direkta nga kontak sa elektrisidad tali sa high-energy cathode ug anode nga mga materyales samtang gitugotan ang transportasyon sa ionic.Ang PP ug PE mao ang labing kasagarang gigamit nga mga materyales, apan sila adunay dili maayo nga kalig-on sa kainit, nga adunay mga punto sa pagtunaw nga ~ 165 ° ug ~ 135 ° C, matag usa.Para sa komersyal nga LIB, ang mga separator nga adunay PP/PE/PP trilayer nga estraktura na-komersyal na, diin ang PE usa ka protective middle layer.Kung ang internal nga temperatura sa baterya mosaka sa ibabaw sa usa ka kritikal nga temperatura (~ 130 ° C), ang porous PE layer partially matunaw, pagsira sa mga pores sa pelikula ug pagpugong sa paglalin sa mga ion sa liquid electrolyte, samtang ang PP layer naghatag mekanikal nga suporta sa paglikay sa internal shorting .Sa laing bahin, ang thermally induced shutdown sa LIB mahimo usab nga makab-ot pinaagi sa paggamit sa thermoresponsive PE o paraffin wax microspheres isip protective layer sa mga anode o separator sa baterya.Kung ang temperatura sa internal nga baterya moabut sa usa ka kritikal nga kantidad, ang mga microspheres matunaw ug magsul-ob sa anode / separator nga adunay usa ka nonpermeable barrier, pagpahunong sa transportasyon sa Li-ion ug pagsira sa cell permanente (Hulagway 5D).
Mga separator nga adunay taas nga kalig-on sa kainit.Aron mapauswag ang kalig-on sa thermal sa mga separator sa baterya, duha ka pamaagi ang naugmad sa miaging pipila ka tuig:
(1) Ceramic-enhanced separator, nga gihimo pinaagi sa direkta nga taklap o on-surface nga pagtubo sa mga seramik nga mga sapaw sama sa SiO2 ug Al2O3 sa kasamtangan nga polyolefin separator ibabaw o pinaagi sa mga seramik nga powder nga nasulod sa polymeric nga mga materyales (Hulagway 5E), nagpakita sa taas kaayo nga mga punto sa pagkatunaw ug taas nga mekanikal nga kusog ug usab adunay medyo taas nga thermal conductivity.Ang ubang mga composite separator nga gihimo pinaagi niini nga estratehiya gikomersiyal, sama sa Separion (usa ka trade name).
(2) Ang pagbag-o sa mga materyales sa separator gikan sa polyolefin ngadto sa taas nga temperatura nga mga polimer nga adunay ubos nga pagkunhod sa pagpainit, sama sa polyimide, cellulose, poly(butylene) terephthalate, ug uban pang susama nga poly(esters), usa pa ka epektibo nga estratehiya alang sa pagpaayo sa thermal stability. sa mga separator (Hulagway 5F).Pananglitan, ang polyimide kay usa ka thermosetting polymer nga kaylap nga giisip nga usa ka maayong alternatibo tungod sa maayo kaayo nga thermal stability (stable sa 400°C), maayo nga kemikal nga pagsukol, taas nga tensile strength, maayong electrolyte wettability, ug flame retardancy (Hulagway 5G.
Mga pakete sa baterya nga adunay function sa pagpabugnaw.Ang mga sistema sa pagdumala sa thermal nga scale sa aparato nga gipaandar pinaagi sa sirkulasyon sa hangin o pagpabugnaw sa likido gigamit aron mapaayo ang pasundayag sa baterya ug mapahinay ang pagtaas sa temperatura.Dugang pa, ang mga materyal nga pagbag-o sa bahin sama sa paraffin wax gisagol sa mga pakete sa baterya aron molihok ingon usa ka heat sink aron makontrol ang ilang temperatura, busa malikayan ang pag-abuso sa temperatura.
Aron masulbad ang mga problema sa yugto 3 (pagkasunog ug pagbuto)
Ang init, oksiheno, ug sugnod, nga nailhang “fire triangle,” mao ang gikinahanglang sangkap sa kadaghanang sunog.Uban sa panagtigum sa kainit ug oksiheno nga namugna sa mga yugto 1 ug 2, ang sugnod (nga mao, ang mga electrolyte nga dali kaayong masunog) awtomatikong magsugod sa pagkasunog.Ang pagkunhod sa pagkasunog sa mga electrolyte solvents hinungdanon alang sa kaluwasan sa baterya ug dugang nga dinagkong aplikasyon sa LIB.
Flame-retardant additives.Daghang mga paningkamot sa panukiduki ang gipahinungod sa pagpauswag sa mga additives nga nagpugong sa siga sa pagpaubos sa pagkasunog sa mga likido nga electrolyte.Kadaghanan sa flame-retardant additives nga gigamit sa liquid electrolytes gibase sa organic phosphorus compounds o organic halogenated compounds.Tungod kay peligroso ang mga halogens sa kalikopan ug kahimsog sa tawo, ang mga compound nga organikong phosphorus labi nga nagsaad nga mga kandidato isip mga additives nga nagpugong sa siga tungod sa ilang taas nga abilidad nga makapugong sa siga ug pagkamahigalaon sa kalikopan.Ang kasagarang organic phosphorus compound naglakip sa trimethyl phosphate, triphenyl phosphate, bis(2-methoxyethoxy)methylallylphosphonate, tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphite, (ethoxy)pentafluorocyclotriphosphazene, ethylene ethyl phosphate, ug uban pa (Hulagway 6A).Ang mekanismo alang sa mga epekto sa pagpahinay sa siga niining mga compound nga adunay phosphorus sa kasagaran gituohan nga usa ka kemikal nga radical-scavenging nga proseso.Atol sa pagkasunog, ang mga molekula nga adunay phosphorus mahimong madunot ngadto sa adunay phosphorus nga free-radical nga mga espisye, nga mahimo unya nga tapuson ang mga radical (pananglitan, H ug OH radicals) nga namugna atol sa chain reaction propagation nga responsable sa padayon nga pagkasunog (Fig. 6, B ug C).Ikasubo, ang pagkunhod sa pagkasunog sa pagdugang sa kini nga mga phosphorus-containing flame retardant moabut sa gasto sa electrochemical performance.Aron mapalambo kini nga trade-off, ang ubang mga tigdukiduki naghimo ug pipila ka mga kausaban sa ilang molekular nga istruktura: (i) partial fluorination sa alkyl phosphates makapauswag sa ilang reductive stability ug sa ilang flame retardancy pagkaepektibo;(ii) ang paggamit sa mga compound nga adunay parehong protective film-forming ug flame-retarding properties, sama sa bis(2-methoxyethoxy)methylallylphosphonate, diin ang mga allylic nga grupo mahimo nga polymerize ug maporma ang usa ka stable nga SEI film sa graphite surfaces, sa ingon epektibo nga makapugong sa peligro nga bahin mga reaksyon;(iii) pagbag-o sa P(V) phosphate ngadto sa P(III) phosphites, nga makapasayon sa pagporma sa SEI ug makahimo sa pag-deactivate sa peligrosong PF5 [pananglitan, tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphite];ug (iv) pag-ilis sa organophosphorus additives sa cyclic phosphazenes, ilabi na sa fluorinated cyclophosphazene, nga nakapalambo sa electrochemical compatibility.
Fig. 6 Mga estratehiya aron masulbad ang mga isyu sa yugto 3.
(A) Kasagaran nga mga istruktura sa molekula sa mga additives nga nagpugong sa siga.(B) Ang mekanismo sa mga epekto sa pagpahinay sa siga niining mga compound nga adunay phosphorus sa kasagaran gituohan nga usa ka kemikal nga radical-scavenging nga proseso, nga makatapos sa radical chain reactions nga responsable sa combustion reaction sa gas phase.TPP, triphenyl phosphate.(C) Ang self-extinguish time (SET) sa tipikal nga carbonate electrolyte mahimong mapakunhod pag-ayo sa pagdugang sa triphenyl phosphate.(D) Schematic sa "smart" electrospun separator nga adunay thermal-triggered flame-retardant properties para sa LIBs.Ang free-standing separator gilangkuban sa microfibers nga adunay usa ka core-shell structure, diin ang flame retardant mao ang core ug ang polymer mao ang shell.Sa thermal triggering, ang polymer shell matunaw ug dayon ang encapsulated flame retardant ipagawas sa electrolyte, sa ingon epektibo nga makapugong sa ignition ug pagsunog sa mga electrolyte.(E) SEM image sa TPP@PVDF-HFP microfibers human sa etching klarong nagpakita sa ilang core-shell structure.Scale bar, 5 μm.(F) Kinaandan nga molekular nga istruktura sa temperatura sa lawak nga ionic liquid nga gigamit isip nonflammable electrolytes para sa LIBs.(G) Ang molekular nga istruktura sa PFPE, usa ka nonflammable perfluorinated PEO analog.Duha ka grupo sa methyl carbonate ang giusab sa mga terminal sa mga kadena sa polimer aron masiguro ang pagkaangay sa mga molekula nga adunay karon nga mga sistema sa baterya.
Kinahanglang hinumdoman nga kanunay adunay usa ka trade-off tali sa pagkunhod sa pagkasunog sa electrolyte ug pasundayag sa cell alang sa mga additives nga gilista, bisan kung kini nga pagkompromiso gipauswag pinaagi sa mga disenyo sa molekula sa ibabaw.Ang laing gisugyot nga estratehiya aron masulbad kini nga problema naglakip sa paglakip sa flame retardant sa sulod sa protective polymer shell sa microfibers, nga dugang nga gipatong aron mahimong usa ka nonwoven separator (Hulagway 6D.Ang usa ka nobela nga electrospun nonwoven microfiber separator nga adunay thermal-triggered flame-retardant nga mga kabtangan gihimo alang sa LIBs.Ang encapsulation sa flame retardant sa sulod sa protective polymer shell nagpugong sa direktang pagkaladlad sa flame retardant sa electrolyte, nga nagpugong sa negatibong epekto sa mga retardant sa electrochemical performance sa baterya (Hulagway 6E).Bisan pa, kung mahitabo ang thermal runaway sa LIB nga baterya, ang poly(vinylidenefluoride-hexafluoro propylene) copolymer (PVDF-HFP) nga kabhang matunaw samtang motaas ang temperatura.Unya ang encapsulated triphenyl phosphate flame retardant ipagawas ngadto sa electrolyte, sa ingon epektibo nga pagsumpo sa pagkasunog sa kaayo masunog electrolytes.
Usa ka "salt-concentrated electrolyte" nga konsepto gihimo usab aron masulbad kini nga problema.Kini nga mga organikong electrolyte nga makapalong sa kalayo alang sa mga rechargeable nga baterya adunay LiN(SO2F)2 isip asin ug usa ka sikat nga flame retardant sa trimethyl phosphate (TMP) isip bugtong solvent.Ang kusog nga pagporma sa usa ka lig-on nga dili organikong SEI nga nakuha sa asin sa anode hinungdanon alang sa lig-on nga pasundayag sa electrochemical.Kini nga nobela nga estratehiya mahimong mapalapdan sa lain-laing uban pang mga flame retardant ug mahimong magbukas ug bag-ong agianan para sa pag-ugmad ug bag-ong flame-retardant solvents para sa mas luwas nga LIBs.
Nonflammable liquid electrolytes.Ang kinatas-ang solusyon sa mga isyu sa kaluwasan sa electrolyte mao ang paghimo sa intrinsically nonflammable electrolytes.Usa ka grupo sa dili masunog nga mga electrolyte nga kaylap nga gitun-an mao ang mga ionic nga likido, labi na ang temperatura sa kwarto nga mga ionic nga likido, nga dili mabag-o (walay mamatikdan nga presyur sa alisngaw ubos sa 200°C) ug dili masunog ug adunay lapad nga bintana sa temperatura (Hulagway 6F.Bisan pa, ang padayon nga panukiduki gikinahanglan aron masulbad ang mga isyu sa ubos nga kapabilidad sa rate nga naggikan sa ilang taas nga viscosity, ubos nga Li transference number, cathodic o reductive instability, ug ang taas nga gasto sa ionic liquids.
Ang low-molecular weight nga hydrofluoroethers maoy laing klase sa nonflammable liquid electrolytes tungod sa taas o walay flash point, nonflammability, ubos nga tension sa nawong, ubos nga viscosity, ubos nga temperatura sa pagyelo, ug uban pa.Ang husto nga disenyo sa molekula kinahanglan nga himuon aron ipahiangay ang ilang mga kemikal nga kabtangan aron matubag ang mga pamatasan sa mga electrolyte sa baterya.Usa ka makaiikag nga pananglitan nga bag-o lang gitaho mao ang perfluoropolyether (PFPE), usa ka perfluorinated polyethylene oxide (PEO) analog nga nabantog tungod sa dili pagkasunog niini (Hulagway 6G.Duha ka grupo sa methyl carbonate ang giusab sa mga terminal nga grupo sa mga kadena sa PFPE (PFPE-DMC) aron maseguro ang pagkaangay sa mga molekula sa kasamtangang sistema sa baterya.Busa, ang nonflammability ug thermal stability sa PFPEs makapauswag sa kaluwasan sa LIBs sa kamahinungdanon samtang nagdugang sa electrolyte transference number tungod sa talagsaon nga disenyo sa molekular nga istruktura.
Ang yugto 3 mao ang katapusan apan labi ka hinungdanon nga yugto alang sa proseso sa pagdagan sa init.Kini kinahanglan nga matikdan nga bisan tuod dako nga mga paningkamot nga gihalad sa pagpakunhod sa flammability sa state-of-the-art nga liquid electrolyte, ang paggamit sa solid-estado electrolytes nga nonvolatile nagpakita dako nga saad.Ang solid electrolytes kasagarang mahulog sa duha ka mga kategoriya: inorganic ceramic electrolytes [sulfides , oxides, nitride , phosphates, ug uban pa] ug solid polymer electrolytes [pagsagol sa Li salts nga adunay polymers, sama sa poly(ethylene oxide), polyacrylonitrile, etc.] .Ang mga paningkamot sa pagpalambo sa solid electrolytes dili detalyado dinhi, tungod kay kini nga hilisgutan maayo na nga gisumada sa pipila ka bag-o nga mga review.
TAN-AW
Kaniadto, daghang mga bag-ong materyales ang naugmad aron mapaayo ang kaluwasan sa baterya, bisan kung ang problema wala pa hingpit nga nasulbad.Dugang pa, ang mga mekanismo nga nagpahiping mga isyu sa kaluwasan lainlain alang sa matag lainlain nga chemistry sa baterya.Busa, ang piho nga mga materyales nga gipahaum alang sa lain-laing mga baterya kinahanglan nga gidisenyo.Kami nagtuo nga ang mas episyente nga mga pamaagi ug maayong pagkadisenyo nga mga materyales nagpabilin nga madiskobrehan.Dinhi, among gilista ang pipila ka posible nga mga direksyon alang sa umaabot nga panukiduki sa kaluwasan sa baterya.
Una, importante nga mag-develop sa in situ o in operando nga mga pamaagi aron ma-detect ug mamonitor ang internal nga kondisyon sa panglawas sa LIBs.Pananglitan, ang thermal runaway nga proseso suod nga may kalabotan sa internal nga temperatura o pagtaas sa presyur sulod sa LIBs.Bisan pa, ang pag-apod-apod sa temperatura sa sulod sa mga baterya labi ka komplikado, ug ang mga pamaagi gikinahanglan aron tukma nga ma-monitor ang mga kantidad sa mga electrolyte ug electrodes, ingon man mga separator.Sa ingon, ang pagsukod niini nga mga parameter alang sa lainlaing mga sangkap hinungdanon alang sa pagdayagnos ug sa ingon mapugngan ang mga peligro sa kaluwasan sa baterya.
Ang kalig-on sa thermal sa mga separator hinungdanon alang sa kaluwasan sa baterya.Ang bag-ong naugmad nga mga polimer nga adunay taas nga mga punto sa pagkatunaw epektibo sa pagdugang sa thermal integridad sa separator.Bisan pa, ang ilang mekanikal nga mga kabtangan ubos gihapon, nga labi nga nagpamenos sa ilang pagkaproseso sa panahon sa pag-assemble sa baterya.Dugang pa, ang presyo usa usab ka hinungdanon nga hinungdan nga kinahanglan tagdon alang sa praktikal nga mga aplikasyon.
Ang pag-uswag sa mga solidong electrolyte ingon ang katapusang solusyon alang sa mga isyu sa kaluwasan sa LIB.Ang solid electrolyte makapakunhod pag-ayo sa posibilidad sa internal shorting sa baterya, uban sa risgo sa mga sunog ug mga pagbuto.Bisan kung ang daghang mga paningkamot gipahinungod sa pag-uswag sa solid electrolytes, ang ilang pasundayag nagpadayon nga labi ka layo sa mga likido nga electrolyte.Ang mga composite sa inorganic ug polymer electrolytes nagpakita ug dakong potensyal, apan nagkinahanglan kini ug delikadong disenyo ug pagpangandam.Among gipasiugda nga ang hustong disenyo sa inorganic-polymer nga mga interface ug ang inhenyeriya sa ilang pag-align importante alang sa episyente nga Li-ion nga transportasyon.
Kinahanglan nga hinumdoman nga ang likido nga electrolyte dili lamang ang sangkap sa baterya nga masunog.Pananglitan, kung ang mga LIB taas nga bayad, ang masunog nga lithiated anode nga mga materyales (pananglitan, lithiated graphite) usa usab ka dako nga kahingawa sa kaluwasan.Ang mga flame retardant nga epektibo nga makapugong sa sunog sa solid-state nga mga materyales gikinahanglan kaayo aron madugangan ang ilang kaluwasan.Ang flame retardant mahimong isagol sa graphite sa porma sa polymer binders o conductive frameworks.
Ang pagkaluwas sa baterya usa ka labi ka komplikado ug sopistikado nga problema.Ang kaugmaon sa kaluwasan sa baterya nanawagan alang sa dugang nga mga paningkamot sa sukaranan nga mga pagtuon sa mekanismo alang sa mas lawom nga pagsabot dugang pa sa mas abante nga mga pamaagi sa pag-ila, nga makahatag og dugang nga impormasyon aron sa paggiya sa disenyo sa mga materyales.Bisan kung kini nga Pagrepaso nagpunting sa kaluwasan sa lebel sa materyal, kinahanglan nga matikdan nga ang usa ka holistic nga pamaagi dugang nga gikinahanglan aron masulbad ang isyu sa kaluwasan sa mga LIB, diin ang mga materyales, mga sangkap sa cell ug format, ug ang module sa baterya ug mga pakete adunay managsama nga papel aron mahimo ang mga baterya nga kasaligan sa wala pa. gipagawas sila sa merkado.
REFERENSIO UG NOTA
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, Mga materyales para sa kaluwasan sa baterya sa lithium-ion, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Oras sa pag-post: Hunyo-05-2021
