Abstrakts
Litija jonu baterijas (LIB) tiek uzskatītas par vienu no svarīgākajām enerģijas uzkrāšanas tehnoloģijām.Palielinoties akumulatoru enerģijas blīvumam, akumulatoru drošība kļūst vēl kritiskāka, ja enerģija tiek atbrīvota netīši.Negadījumi, kas saistīti ar ugunsgrēkiem un LIB sprādzieniem, notiek bieži visā pasaulē.Dažas no tām ir radījušas nopietnus draudus cilvēku dzīvībai un veselībai, un to rezultātā ražotāji ir daudzkārt atsaukuši produktus.Šie incidenti atgādina, ka drošība ir akumulatoru priekšnoteikums, un pirms lielas enerģijas akumulatoru sistēmu turpmākas izmantošanas ir jāatrisina nopietnas problēmas.Šī pārskata mērķis ir apkopot LIB drošības problēmu rašanās pamatprincipus un izcelt jaunākos būtiskos panākumus materiālu projektēšanā, lai uzlabotu LIB drošību.Mēs paredzam, ka šis pārskats iedvesmos vēl vairāk uzlabot akumulatoru drošību, jo īpaši jaunajām LIB ar augstu enerģijas blīvumu.
LIB DROŠĪBAS PROBLĒMU IZCELNE
Organiskais šķidrais elektrolīts LIB iekšpusē ir viegli uzliesmojošs.Viena no katastrofālākajām LIB sistēmas kļūmēm ir kaskādes termiskais notikums, kas tiek uzskatīts par galveno akumulatora drošības problēmu cēloni.Parasti termiskā bēgšana notiek, kad eksotermiska reakcija iziet no kontroles.Akumulatora temperatūrai paaugstinoties virs ~80°C, eksotermiskās ķīmiskās reakcijas ātrums bateriju iekšienē palielinās un tālāk uzsilda elementu, kā rezultātā rodas pozitīvas atgriezeniskās saites cikls.Nepārtraukti augoša temperatūra var izraisīt ugunsgrēkus un sprādzienus, īpaši liela izmēra akumulatoru blokiem.Tāpēc, izprotot termiskās bēgšanas cēloņus un procesus, var izstrādāt funkcionālus materiālus, lai uzlabotu LIB drošību un uzticamību.Termiskā bēgšanas procesu var iedalīt trīs posmos, kā tas ir apkopots1. att.
1. att. Trīs termiskās izplūdes procesa posmi.
1. posms: pārkaršanas sākums.Baterijas mainās no normāla stāvokļa uz neparastu stāvokli, un iekšējā temperatūra sāk paaugstināties.2. posms: siltuma uzkrāšanās un gāzes izdalīšanās process.Iekšējā temperatūra ātri paaugstinās, un akumulatorā notiek eksotermiskas reakcijas.3. posms: sadegšana un sprādziens.Uzliesmojošais elektrolīts sadeg, izraisot ugunsgrēkus un pat sprādzienus.
Pārkaršanas sākums (1. posms)
Termiskā bēgšana sākas no akumulatora sistēmas pārkaršanas.Sākotnējā pārkaršana var rasties, ja akumulators tiek uzlādēts, pārsniedzot paredzēto spriegumu (pārlāde), pakļauts pārmērīgai temperatūrai, ārējiem īssavienojumiem nepareizas elektroinstalācijas dēļ vai iekšējiem īssavienojumiem elementu defektu dēļ.Tostarp iekšējais īssavienojums ir galvenais termiskās noplūdes iemesls, un to ir samērā grūti kontrolēt.Iekšējais īssavienojums var notikt šūnu saspiešanas apstākļos, piemēram, ārēja metāla atlūzu iespiešanās gadījumā;transportlīdzekļa sadursme;litija dendrīta veidošanās liela strāvas blīvuma uzlādē, pārlādēšanas apstākļos vai zemā temperatūrā;un bojāti separatori, kas izveidoti akumulatora montāžas laikā, lai nosauktu tikai dažus.Piemēram, 2013. gada oktobra sākumā Tesla automašīna netālu no Sietlas ietriecās metāla gruvešos, kas iedūrās vairogā un akumulatora blokā.Atkritumi iekļuva polimēru separatoros un tieši savienoja katodu un anodu, izraisot akumulatora īssavienojumu un aizdegšanos;2016. gadā Samsung Note 7 akumulatora aizdegšanos izraisīja agresīvi īpaši plāns separators, ko viegli sabojāja ārējais spiediens vai pozitīvā elektroda metināšanas urbumi, izraisot akumulatora īssavienojumu.
Pirmajā posmā akumulatora darbība mainās no normāla uz neparastu stāvokli, un visas iepriekš minētās problēmas izraisīs akumulatora pārkaršanu.Kad iekšējā temperatūra sāk paaugstināties, 1. posms beidzas un sākas 2. posms.
Siltuma uzkrāšanās un gāzes izdalīšanas process (2. posms)
Sākoties 2. posmam, iekšējā temperatūra strauji paaugstinās, un akumulatorā notiek šādas reakcijas (šīs reakcijas nenotiek precīzi norādītajā secībā; dažas no tām var notikt vienlaikus):
(1) Cietā elektrolīta starpfāzes (SEI) sadalīšanās pārkaršanas vai fiziskas iespiešanās dēļ.SEI slānis galvenokārt sastāv no stabiliem (piemēram, LiF un Li2CO3) un metastabiliem [piemēram, polimēriem, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 un ROLi] komponentiem.Tomēr metastabilās sastāvdaļas var eksotermiski sadalīties aptuveni >90°C, izdalot uzliesmojošas gāzes un skābekli.Kā piemēru ņemiet (CH2OCO2Li)2
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0,5O2
(2) Sadaloties SEI, paaugstinās temperatūra, un litija metāls vai interkalētais litijs anodā reaģēs ar elektrolīta organiskajiem šķīdinātājiem, izdalot uzliesmojošas ogļūdeņraža gāzes (etānu, metānu un citas).Tā ir eksotermiska reakcija, kas vēl vairāk paaugstina temperatūru.
(3) KadT> ~130°C, sāk kust polietilēna (PE)/polipropilēna (PP) separators, kas vēl vairāk pasliktina situāciju un rada īssavienojumu starp katodu un anodu.
(4) Galu galā siltums izraisa litija metāla oksīda katoda materiāla sadalīšanos un izraisa skābekļa izdalīšanos.Kā piemēru ņemiet LiCoO2, kas var sadalīties, sākot no ~180°C šādi
Katoda sabrukšana ir arī ļoti eksotermiska, vēl vairāk paaugstinot temperatūru un spiedienu un līdz ar to vēl vairāk paātrinot reakcijas.
2. posmā temperatūra paaugstinās un akumulatoru iekšpusē uzkrājas skābeklis.Termiskā izplūdes process turpinās no 2. pakāpes uz 3. posmu, tiklīdz ir uzkrājies pietiekami daudz skābekļa un siltuma akumulatora sadegšanai.
Degšana un sprādziens (3. posms)
3. posmā sākas degšana.LIB elektrolīti ir organiski, kas ir gandrīz universālas ciklisko un lineāro alkilkarbonātu kombinācijas.Tiem ir augsta nepastāvība un tie ir ļoti viegli uzliesmojoši.Par piemēru ņemot populāro karbonāta elektrolītu [etilēnkarbonāta (EC) + dimetilkarbonāta (DMC) maisījumu (1:1 pēc svara)], tā tvaika spiediens istabas temperatūrā ir 4,8 kPa un ārkārtīgi zems uzliesmošanas punkts. 25° ± 1°C pie gaisa spiediena 1,013 bāri.2. posmā izdalītais skābeklis un siltums nodrošina nepieciešamos apstākļus uzliesmojošu organisko elektrolītu sadegšanai, tādējādi radot ugunsgrēka vai eksplozijas draudus.
2. un 3. posmā eksotermiskās reakcijas notiek gandrīz adiabātiskos apstākļos.Tādējādi paātrinātā ātruma kalorimetrija (ARC) ir plaši izmantota metode, kas simulē vidi LIB, kas atvieglo mūsu izpratni par termiskās bēgšanas reakcijas kinētiku.2. attēlsparāda tipisku LIB ARC līkni, kas reģistrēta termiskās lietošanas pārbaužu laikā.Imitējot temperatūras paaugstināšanos 2. posmā, ārējs siltuma avots paaugstina akumulatora temperatūru līdz sākuma temperatūrai.Virs šīs temperatūras SEI sadalās, kas izraisīs vairāk eksotermisku ķīmisku reakciju.Galu galā separators izkusīs.Pašsasilšanas ātrums pēc tam palielināsies, izraisot termisku aizbēgšanu (ja pašsasilšanas ātrums ir >10°C/min) un elektrolīta sadegšanu (3. posms).
Anods ir mezooglekļa mikrolodītes grafīts.Katods ir LiNi0,8Co0,05Al0,05O2.Elektrolīts ir 1,2 M LiPF6 EC/PC/DMC.Tika izmantots Celgard 2325 trīsslāņu separators.Pielāgots ar Electrochemical Society Inc. atļauju.
Jāņem vērā, ka iepriekš ilustrētās reakcijas nenotiek stingri viena pēc otras norādītajā secībā.Tie drīzāk ir sarežģīti un sistemātiski jautājumi.
MATERIĀLI AR UZLABOTU AKUMULATORU DROŠĪBU
Pamatojoties uz izpratni par akumulatoru termisko noplūdi, tiek pētītas daudzas pieejas, kuru mērķis ir samazināt drošības apdraudējumu, racionāli projektējot akumulatora komponentus.Nākamajās sadaļās mēs apkopojam dažādas materiālu pieejas, lai uzlabotu akumulatoru drošību, risinot problēmas, kas atbilst dažādiem termiskās palaišanas posmiem.
Lai atrisinātu problēmas 1. posmā (pārkaršanas sākums)
Uzticami anoda materiāli.Li dendrīta veidošanās uz LIB anoda ierosina pirmo termiskās bēgšanas posmu.Lai gan šī problēma ir novērsta komerciālo LIB anodos (piemēram, oglekļa anodos), Li dendrīta veidošanās nav pilnībā kavēta.Piemēram, komerciālos LIBs dendrīta nogulsnēšanās galvenokārt notiek grafīta elektrodu malās, ja anodi un katodi nav labi savienoti pārī .Turklāt LIB nepareizi darbības apstākļi var izraisīt arī Li metāla nogulsnēšanos ar dendrīta augšanu.Ir labi zināms, ka dendrītu var viegli izveidot, ja akumulators tiek uzlādēts (i) pie liela strāvas blīvuma, kur Li metāla nogulsnēšanās ir ātrāka nekā Li jonu difūzija grafītā;ii) pārmērīgas uzlādes apstākļos, kad grafīts ir pārlitēts;un (iii) zemās temperatūrās [piemēram, apkārtējā temperatūra (~0°C)], jo ir palielināta šķidrā elektrolīta viskozitāte un palielināta litija jonu difūzijas pretestība.
No materiālu īpašību viedokļa saknes izcelsme, kas nosaka Li dendrīta augšanas sākumu uz anoda, ir nestabils un nevienmērīgs SEI, kas izraisa nevienmērīgu lokālo strāvas sadalījumu .Ir pētīti elektrolītu komponenti, īpaši piedevas, lai uzlabotu SEI viendabīgumu un novērstu Li dendrīta veidošanos.Tipiskas piedevas ir neorganiskie savienojumi [piemēram, CO2, LiI utt.] un organiskie savienojumi, kas satur nepiesātinātas oglekļa saites, piemēram, vinilēna karbonāts un maleimīda piedevas;nestabilas cikliskas molekulas, piemēram, butirolaktons, etilēnsulfīts un to atvasinājumi;un fluorēti savienojumi, piemēram, fluoretilēnkarbonāts, cita starpā.Pat miljonu daļu līmenī šīs molekulas joprojām var uzlabot SEI morfoloģiju, tādējādi homogenizējot litija jonu plūsmu un novēršot Li dendrīta veidošanās iespēju.
Kopumā Li dendrīta problēmas joprojām pastāv grafīta vai oglekļa anodos un silīciju / SiO saturošos nākamās paaudzes anodos.Li dendrīta augšanas problēmas risināšana ir izaicinājums, kas ir ļoti svarīgs augsta enerģijas blīvuma litija jonu ķīmijas pielāgošanai tuvākajā nākotnē.Jāatzīmē, ka pēdējā laikā ievērojamas pūles ir veltītas Li dendrīta veidošanās jautājuma risināšanai tīros Li metāla anodos, homogenizējot litija jonu plūsmu Li nogulsnēšanās laikā;piemēram, aizsargslāņa pārklājums, mākslīgā SEI inženierija utt. Šajā aspektā dažas metodes, iespējams, varētu sniegt skaidrību par to, kā risināt jautājumu par oglekļa anodiem arī LIB.
Daudzfunkcionāli šķidrie elektrolīti un separatori.Šķidrajam elektrolītam un separatoram ir galvenā loma lielas enerģijas katoda un anoda fiziska atdalīšanai.Tādējādi labi izstrādāti daudzfunkcionālie elektrolīti un separatori var ievērojami aizsargāt akumulatorus jau agrīnā akumulatora termiskās noplūdes stadijā (1. posms).
Lai aizsargātu akumulatorus no mehāniskas saspiešanas, karbonāta elektrolītam vienkārši pievienojot kūpinātu silīcija dioksīdu (1 M LiFP6 EC/DMC) ir iegūts šķidrs elektrolīts, kas sabiezē ar bīdēm.Mehāniskā spiediena vai trieciena ietekmē šķidrums uzrāda bīdes sabiezēšanas efektu, palielinot viskozitāti, tādējādi izkliedējot trieciena enerģiju un demonstrējot toleranci pret saspiešanu (3A att)
3. att. Stratēģijas problēmu risināšanai 1. posmā.
(A) Bīdes sabiezēšanas elektrolīts.Augšā: normālam elektrolītam mehāniska ietekme var izraisīt akumulatora iekšējo īssavienojumu, izraisot ugunsgrēkus un sprādzienus.Apakšā: Jaunais viedais elektrolīts ar bīdes sabiezēšanas efektu zem spiediena vai trieciena demonstrē izcilu toleranci pret saspiešanu, kas varētu ievērojami uzlabot akumulatoru mehānisko drošību.(B) Bifunkcionālie separatori litija dendrītu agrīnai noteikšanai.Dendrīta veidošanās tradicionālajā litija akumulatorā, kur litija dendrīta pilnīga iekļūšana separatorā tiek konstatēta tikai tad, ja akumulators sabojājas iekšēja īssavienojuma dēļ.Salīdzinājumam, litija akumulators ar bifunkcionālu separatoru (kas sastāv no vadoša slāņa, kas iespiests starp diviem parastajiem separatoriem), kur aizaugušais litija dendrīts iekļūst separatorā un saskaras ar vadošo vara slāni, kā rezultātā samazināsVCu−Li, kas kalpo kā brīdinājums par tuvojošos atteici iekšēja īssavienojuma dēļ.Tomēr pilns akumulators joprojām var droši darboties un potenciāls nav nulles.(A) un (B) ir pielāgoti vai reproducēti ar Springer Nature atļauju.(C) Trīsslāņu separators, lai patērētu bīstamos Li dendrītus un pagarinātu akumulatora darbības laiku.Pa kreisi: litija anodi var viegli veidot dendrītu nogulsnes, kas var pakāpeniski palielināties un iekļūt inertā polimēra separatorā.Kad dendriti beidzot savieno katodu un anodu, akumulators ir īssavienojums un sabojājas.Pa labi: silīcija dioksīda nanodaļiņu slānis tika pārklāts ar diviem komerciālu polimēru separatoru slāņiem.Tāpēc, kad litija dendriti aug un iekļūst separatorā, tie saskarsies ar silīcija dioksīda nanodaļiņām iesaiņotajā slānī un tiks elektroķīmiski patērēti.(D) Silīcija dioksīda nanodaļiņu iesaiņotā separatora skenēšanas elektronu mikroskopijas (SEM) attēls.(E) Li / Li akumulatora tipisks sprieguma un laika profils ar parasto separatoru (sarkanā līkne) un silīcija nanodaļiņu iestrādāto trīsslāņu separatoru (melnā līkne), kas pārbaudīts tādos pašos apstākļos.(C), (D) un (E) tiek reproducēti ar John Wiley and Sons atļauju.(F) Redox shuttle piedevu mehānismu shematisks ilustrācija.Uz pārlādētas katoda virsmas redoksa piedeva tiek oksidēta līdz formai [O], kas pēc tam tiktu reducēta atpakaļ sākotnējā stāvoklī [R] uz anoda virsmas difūzijas ceļā caur elektrolītu.Oksidācijas-difūzijas-reducēšanas-difūzijas elektroķīmisko ciklu var uzturēt bezgalīgi, un tādējādi tas bloķē katoda potenciālu no bīstamas pārlādēšanas.(G) Redox shuttle piedevu tipiskās ķīmiskās struktūras.(H) Izslēgšanas pārlādēšanas piedevu mehānisms, kas var elektroķīmiski polimerizēties ar lielu potenciālu.(I) Tipiskas izslēgšanas pārmaksas piedevu ķīmiskās struktūras.Piedevu darba potenciāls ir norādīts zem katras molekulārās struktūras (G), (H) un (I).
Separatori var elektroniski izolēt katodu un anodu, un tiem ir svarīga loma akumulatora veselības stāvokļa uzraudzībā in situ, lai novērstu turpmāku pasliktināšanos pēc 1. posma. Piemēram, “bifunkcionāls separators” ar polimēra-metāla-polimēra trīsslāņu konfigurāciju (3.B att) var nodrošināt jaunu sprieguma noteikšanas funkciju.Kad dendrīts izaug un sasniedz starpslāni, tas savienos metāla slāni un anodu tā, ka pēkšņu sprieguma kritumu starp tiem var uzreiz noteikt kā izeju.
Papildus noteikšanai tika izveidots trīsslāņu separators, lai patērētu bīstamos Li dendritus un palēninātu to augšanu pēc iekļūšanas separatorā.Silīcija dioksīda nanodaļiņu slānis, kas pārklāts ar diviem komerciālu poliolefīna separatoru slāņiem (3. att, C un D), var patērēt jebkādus iekļūstot bīstamos Li dendritus, tādējādi efektīvi uzlabojot akumulatora drošību.Aizsargātā akumulatora darbības laiks tika ievērojami pagarināts apmēram piecas reizes, salīdzinot ar akumulatoru ar parastajiem separatoriem (3. E attēls).
Aizsardzība pret pārlādēšanu.Pārlādēšana ir definēta kā akumulatora uzlāde, pārsniedzot paredzēto spriegumu.Pārlādēšanu var izraisīt liels īpatnējais strāvas blīvums, agresīvi uzlādes profili utt., kas var izraisīt virkni problēmu, tostarp i) Li metāla nogulsnēšanos uz anoda, kas nopietni ietekmē akumulatora elektroķīmisko veiktspēju un drošību;ii) katoda materiāla sadalīšanās, izdalot skābekli;un iii) organiskā elektrolīta sadalīšanās, izdalot siltumu un gāzveida produktus (H2, ogļūdeņražus, CO utt.), kas ir atbildīgi par termisko izplūdi.Elektroķīmiskās reakcijas sadalīšanās laikā ir sarežģītas, dažas no tām ir uzskaitītas zemāk.
Zvaigznīte (*) norāda, ka ūdeņraža gāze rodas no prototiskās, atstājot karbonātu oksidēšanas laikā pie katoda radušās grupas, kas pēc tam izkliedējas uz anodu, kas jāreducē un rada H2.
Pamatojoties uz to funkciju atšķirībām, pārlādēšanas aizsardzības piedevas var klasificēt kā redox shuttle piedevas un izslēgšanas piedevas.Pirmais aizsargā šūnu no pārlādēšanas atgriezeniski, bet otrais pārtrauc šūnas darbību neatgriezeniski.
Redox shuttle piedevas darbojas, elektroķīmiski manevrējot akumulatorā ievadīto lieko lādiņu, kad notiek pārslodze.Kā parādīts3F attēls, mehānisms ir balstīts uz redoksa piedevu, kuras oksidācijas potenciāls ir nedaudz zemāks nekā elektrolīta anodiskās sadalīšanās potenciāls.Uz pārlādētas katoda virsmas redoksa piedeva tiek oksidēta līdz formai [O], kas pēc tam pēc difūzijas caur elektrolītu tiek reducēta atpakaļ sākotnējā stāvoklī [R] uz anoda virsmas.Pēc tam reducētā piedeva var izkliedēties atpakaļ uz katodu, un elektroķīmisko ciklu “oksidācija-difūzija-reducēšana-difūzija” var uzturēt bezgalīgi, un tādējādi tas bloķē katoda potenciālu no turpmākas bīstamas pārlādēšanas.Pētījumi ir parādījuši, ka piedevu redokspotenciālam vajadzētu būt par aptuveni 0,3 līdz 0,4 V virs katoda potenciāla.
Ir izstrādāta virkne piedevu ar labi pielāgotu ķīmisko struktūru un redokspotenciālu, tostarp metālorganiskie metallocēni , fenotiazīni , trifenilamīni , dimetoksibenzoli un to atvasinājumi un 2-(pentafluorfenil)-tetrafluor-1,3,2-benzodioksaborols (3G att).Pielāgojot molekulārās struktūras, piedevu oksidācijas potenciālu var noregulēt uz virs 4 V, kas ir piemērots strauji augošiem augstsprieguma katoda materiāliem un elektrolītiem.Projektēšanas pamatprincips ietver piedevas augstākās aizņemtās molekulārās orbitāles pazemināšanu, pievienojot elektronus izsūcošus aizstājējus, kā rezultātā palielinās oksidācijas potenciāls.Papildus organiskajām piedevām daži neorganiskie sāļi, kas var ne tikai darboties kā elektrolīta sāls, bet arī var kalpot kā redokssāļi, piemēram, perfluorborāna kopu sāļi [tas ir, litija fluorododekaborāti (Li2B12F)xH12−x)], ir arī atzītas par efektīvām redox shuttle piedevām.
Shutdown pārlādēšanas piedevas ir neatgriezenisku pārlādēšanas aizsardzības piedevu klase.Tie darbojas, vai nu izlaižot gāzi ar lielu potenciālu, kas, savukārt, aktivizē strāvas pārtraucēja ierīci, vai arī pastāvīgi elektroķīmiski polimerizējoties ar augstu potenciālu, lai pārtrauktu akumulatora darbību, pirms rodas katastrofāli rezultāti (3H att).Pirmo piemēri ir ksilols, cikloheksilbenzols un bifenils, savukārt otro piemēri ir bifenils un citi aizvietoti aromātiskie savienojumi (3. att.I).Slēgšanas piedevu negatīvā ietekme joprojām ir LIB ilgstoša darbība un uzglabāšanas veiktspēja, jo notiek šo savienojumu neatgriezeniskā oksidēšanās.
Problēmu risināšana 2. posmā (siltuma uzkrāšanās un gāzes izdalīšanās process)
Uzticami katoda materiāli.Litija pārejas metālu oksīdi, piemēram, slāņveida oksīdi LiCoO2, LiNiO2 un LiMnO2;spineļa tipa oksīds LiM2O4;un polianjona tips LiFePO4, ir populāri izmantoti katoda materiāli, kuriem tomēr ir drošības problēmas, īpaši augstās temperatūrās.Tostarp salīdzinoši drošs ir olivīna struktūras LiFePO4, kas ir stabils līdz 400°C, savukārt LiCoO2 sāk sadalīties pie 250°C.Iemesls uzlabotajai LiFePO4 drošībai ir tas, ka visi skābekļa joni veido spēcīgas kovalentās saites ar P5+, veidojot PO43− tetraedriskus polianjonus, kas stabilizē visu trīsdimensiju karkasu un nodrošina uzlabotu stabilitāti salīdzinājumā ar citiem katoda materiāliem, lai gan joprojām ir ir ziņots par dažām akumulatora ugunsgrēka negadījumiem.Galvenās bažas par drošību rada šo katoda materiālu sadalīšanās paaugstinātā temperatūrā un vienlaicīga skābekļa izdalīšanās, kas kopā var izraisīt aizdegšanos un sprādzienus, nopietni apdraudot akumulatora drošību.Piemēram, slāņveida oksīda LiNiO2 kristāliskā struktūra ir nestabila, jo pastāv Ni2+, kura jonu lielums ir līdzīgs Li+.Delitētais LixNiO2 (x< 1) ir tendence pārveidoties par stabilāku spineļa tipa fāzi LiNi2O4 (spinels) un akmeņsāls tipa NiO, un skābeklis izdalās šķidrā elektrolītā aptuveni 200°C temperatūrā, izraisot elektrolīta sadegšanu.
Ir pieliktas ievērojamas pūles, lai uzlabotu šo katoda materiālu termisko stabilitāti, izmantojot atomu dopingu un virsmas aizsargpārklājumus.
Atomu dopings var ievērojami palielināt slāņveida oksīda materiālu termisko stabilitāti, pateicoties stabilizētām kristāla struktūrām.LiNiO2 vai Li1.05Mn1.95O4 termisko stabilitāti var ievērojami uzlabot, daļēji aizstājot Ni vai Mn ar citiem metāla katjoniem, piemēram, Co, Mn, Mg un Al.Attiecībā uz LiCoO2 dopinga un leģējošo elementu, piemēram, Ni un Mn, ieviešana var krasi palielināt sadalīšanās sākuma temperatūruTdec, vienlaikus izvairoties no reakcijām ar elektrolītu augstās temperatūrās.Tomēr katoda termiskās stabilitātes palielināšanās kopumā ir saistīta ar īpašās jaudas upuriem.Lai atrisinātu šo problēmu, ir izstrādāts koncentrācijas gradienta katoda materiāls uzlādējamām litija akumulatoriem, kuru pamatā ir slāņains litija niķeļa kobalta mangāna oksīds (4A att) .Šajā materiālā katrai daļiņai ir ar Ni bagāts centrālais slānis un ar Mn bagāts ārējais slānis ar Ni koncentrācijas samazināšanos un pieaugošu Mn un Co koncentrāciju, tuvojoties virsmai (4B att).Pirmais nodrošina lielu jaudu, bet otrais uzlabo termisko stabilitāti.Tika pierādīts, ka šis jaunais katoda materiāls uzlabo akumulatoru drošību, neapdraudot to elektroķīmisko veiktspēju (4C att).
4. att. Stratēģijas problēmu risināšanai 2. posmā: uzticami katodi.
(A) Shematiska diagramma pozitīvai elektroda daļiņai ar Ni bagātu serdi, ko ieskauj koncentrācijas gradienta ārējais slānis.Katrai daļiņai ir ar Ni bagāts centrālais Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 tilpums un ar Mn bagāts ārējais slānis [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] ar Ni koncentrācijas samazināšanos un pieaugošu Mn un Co koncentrāciju. tuvojoties virsmai.Pirmais nodrošina lielu jaudu, bet otrais uzlabo termisko stabilitāti.Vidējais sastāvs ir Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.Labajā pusē ir parādīts arī tipiskas daļiņas skenējošs elektronu mikrogrāfs.(B) Galīgā litija oksīda Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2 elektronzondes rentgenstaru mikroanalīzes rezultāti.Pakāpeniskas Ni, Mn un Co koncentrācijas izmaiņas starpslānī ir acīmredzamas.Ni koncentrācija samazinās, un Co un Mn koncentrācija palielinās virzienā uz virsmu.(C) Diferenciālās skenējošās kalorimetrijas (DSC) pēdas, kas parāda siltuma plūsmu no elektrolīta reakcijas ar koncentrācijas gradienta materiālu Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, ar Ni bagāto centrālo materiālu Li (Ni0.8Co0.1Mn0). 1)O2 un ar Mn bagāto ārējo slāni [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].Materiāli tika uzlādēti līdz 4,3 V. (A), (B) un (C) tiek reproducēti ar Springer Nature atļauju.(D) pa kreisi: pārraides elektronu mikroskopijas (TEM) spilgtā lauka attēls no AlPO4 nanodaļiņām pārklāta LiCoO2;Enerģiju izkliedējošā rentgenstaru spektrometrija apstiprina Al un P komponentus pārklājuma slānī.Pa labi: augstas izšķirtspējas TEM attēls, kurā redzamas AlPO4 nanodaļiņas (diametrs ~ 3 nm) nanomēroga pārklājuma slānī;bultiņas norāda saskarni starp AlPO4 slāni un LiCoO2.(E) Pa kreisi: attēls ar elementu, kurā ir tukšs LiCoO2 katods pēc 12 V pārlādes testa.Šūna pie tāda sprieguma sadega un eksplodēja.Pa labi: attēls ar šūnu, kurā ir ar AlPO4 nanodaļiņām pārklāts LiCoO2 pēc 12 V pārlādes testa.(D) un (E) tiek reproducēti ar John Wiley and Sons atļauju.
Vēl viena stratēģija termiskās stabilitātes uzlabošanai ir katoda materiāla pārklāšana ar plānu aizsargājošu termiski stabilu Li + vadošu savienojumu slāni, kas var novērst katoda materiālu tiešu kontaktu ar elektrolītu un tādējādi samazināt blakusreakcijas un siltuma veidošanos.Pārklājumi var būt vai nu neorganiskas plēves [piemēram, ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3 u.c.], kas pēc litācijas var vadīt Li jonus (4. att, D un E), vai organiskas plēves, piemēram, poli(dialildimetilamonija hlorīds), aizsargplēves, ko veido γ-butirolaktona piedevas, un daudzkomponentu piedevas (kas sastāv no vinilēnkarbonāta, 1,3-propilēnsulfīta un dimetilacetamīda).
Pārklājuma ar pozitīvu temperatūras koeficientu ieviešana ir arī efektīva katoda drošības palielināšanai.Piemēram, ar poli(3-deciltiofēnu) pārklāti LiCoO2 katodi var apturēt elektroķīmiskās reakcijas un blakusreakcijas, kad temperatūra paaugstinās līdz >80°C, jo vadošais polimēra slānis var ātri pārveidoties ļoti izturīgā stāvoklī .Pašizslēdzošu oligomēru pārklājumi ar hipersazarotu arhitektūru var darboties arī kā termiski reaģējošs bloķējošs slānis, lai izslēgtu akumulatoru no katoda puses.
Termiski pārslēdzams strāvas kolektors.Elektroķīmisko reakciju apturēšana akumulatora temperatūras paaugstināšanās laikā 2. posmā var efektīvi novērst tālāku temperatūras paaugstināšanos.Ātra un atgriezeniska termoreaktīvā polimēra pārslēgšana (TRPS) ir iebūvēta strāvas kolektorā (5A att) .TRPS plānā plēve sastāv no vadošām grafēna pārklājuma smailām nanostrukturētā niķeļa (GrNi) daļiņām kā vadoša pildvielas un PE matricas ar lielu termiskās izplešanās koeficientu (α ~ 10-4 K-1).Gatavās polimēru kompozītmateriālu plēvēm ir augsta vadītspēja (σ) istabas temperatūrā, bet, kad temperatūra tuvojas pārslēgšanas temperatūrai (Ts), vadītspēja samazinās 1 s laikā par septiņām līdz astoņām kārtām polimēra tilpuma paplašināšanās rezultātā, kas atdala vadošās daļiņas un pārtrauc vadošos ceļus (5B att).Plēve acumirklī kļūst izolējoša un tādējādi pārtrauc akumulatora darbību (5C att).Šis process ir ļoti atgriezenisks un var darboties pat pēc vairākiem pārkaršanas gadījumiem, neapdraudot veiktspēju.
5. att. Stratēģijas problēmu risināšanai 2. posmā.
(A) TRPS strāvas kolektora termiskās pārslēgšanas mehānisma shematisks attēls.Drošajam akumulatoram ir viens vai divi strāvas kolektori, kas pārklāti ar plānu TRPS slāni.Tas darbojas normāli istabas temperatūrā.Tomēr augstas temperatūras vai lielas strāvas gadījumā polimēra matrica izplešas, tādējādi atdalot vadošās daļiņas, kas var samazināt tās vadītspēju, ievērojami palielinot pretestību un izslēdzot akumulatoru.Tādējādi akumulatora struktūru var aizsargāt bez bojājumiem.Atdzesējot, polimērs saraujas un atgūst sākotnējos vadošos ceļus.(B) Dažādu TRPS plēvju pretestības izmaiņas atkarībā no temperatūras, ieskaitot PE / GrNi ar dažādu GrNi slodzi un PP / GrNi ar 30% (v / V) GrNi slodzi.(C) Jaudas kopsavilkums par drošu LiCoO2 akumulatora ciklu no 25°C līdz izslēgšanai.Gandrīz nulles jauda pie 70°C norāda uz pilnīgu izslēgšanu.(A), (B) un (C) tiek reproducēti ar Springer Nature atļauju.(D) shematisks attēlojums uz mikrosfēru balstītas izslēgšanas koncepcijas LIB.Elektrodi ir funkcionalizēti ar termoreaktīvām mikrosfērām, kuras virs kritiskās akumulatora iekšējās temperatūras tiek pakļautas termiskai pārejai (kausēšanai).Izkausētās kapsulas pārklāj elektrodu virsmu, veidojot jonu izolējošu barjeru un izslēdzot akumulatora elementu.(E) Plāna un patstāvīgi stāvoša neorganiska kompozītmateriāla membrāna, kas sastāv no 94% alumīnija oksīda daļiņām un 6% stirola-butadiēna gumijas (SBR) saistvielas, tika sagatavota ar šķīduma liešanas metodi.Pa labi: fotoattēli, kas parāda neorganiskā kompozītmateriāla separatora un PE separatora termisko stabilitāti.Separatori tika turēti 130 ° C temperatūrā 40 minūtes.PE ievērojami saruka no laukuma ar punktētu kvadrātu.Tomēr saliktais separators neuzrādīja acīmredzamu saraušanos.Pārpublicēts ar Elsevier atļauju.(F) Dažu augstas kušanas temperatūras polimēru molekulārā struktūra kā separatora materiāli ar zemu augstas temperatūras saraušanos.Augšpuse: poliimīds (PI).Vidējā daļa: celuloze.Apakšā: poli(butilēna) tereftalāts.(G) pa kreisi: PI DSC spektru salīdzinājums ar PE un PP separatoru;PI separatoram ir lieliska termiskā stabilitāte temperatūras diapazonā no 30° līdz 275°C.Pa labi: digitālās kameras fotoattēli, kuros tiek salīdzināta komerciālā separatora un sintezētā PI separatora mitrināmība ar propilēna karbonāta elektrolītu.Pārpublicēts ar Amerikas Ķīmijas biedrības atļauju.
Termiskās izslēgšanas separatori.Vēl viena stratēģija, lai novērstu akumulatoru termisku izplūdi 2. posmā, ir slēgt litija jonu vadīšanas ceļu caur separatoru.Separatori ir galvenās LIB drošības sastāvdaļas, jo tie novērš tiešu elektrisko kontaktu starp augstas enerģijas katoda un anoda materiāliem, vienlaikus nodrošinot jonu transportēšanu.PP un PE ir visbiežāk izmantotie materiāli, taču tiem ir slikta termiskā stabilitāte, kušanas temperatūra ir attiecīgi ~165° un ~135°C.Komerciālajam LIB jau ir komercializēti separatori ar PP/PE/PP trīsslāņu struktūru, kur PE ir aizsargājošs vidējais slānis.Kad akumulatora iekšējā temperatūra paaugstinās virs kritiskās temperatūras (~130°C), porainais PE slānis daļēji izkūst, aizverot plēves poras un novēršot jonu migrāciju šķidrajā elektrolītā, savukārt PP slānis nodrošina mehānisku atbalstu, lai izvairītos no iekšpuses. īssavienojums .Alternatīvi, termiski izraisītu LIB izslēgšanu var panākt, izmantojot termoreaktīvās PE vai parafīna vaska mikrosfēras kā akumulatora anodu vai separatoru aizsargslāni.Kad akumulatora iekšējā temperatūra sasniedz kritisko vērtību, mikrosfēras izkūst un pārklāj anodu/separatoru ar necaurlaidīgu barjeru, apturot litija jonu transportēšanu un neatgriezeniski izslēdzot elementu (5D att).
Separatori ar augstu termisko stabilitāti.Lai uzlabotu akumulatoru separatoru termisko stabilitāti, pēdējo gadu laikā ir izstrādātas divas pieejas:
(1) Ar keramiku uzlaboti separatori, kas izgatavoti, vai nu tieši pārklājot vai uz virsmas uzaudzējot keramikas slāņus, piemēram, SiO2 un Al2O3 uz esošajām poliolefīna separatoru virsmām, vai izmantojot keramikas pulverus, kas iestrādāti polimēru materiālos (5E att), tiem ir ļoti augsts kušanas punkts un augsta mehāniskā izturība, kā arī salīdzinoši augsta siltumvadītspēja.Daži kompozītmateriālu separatori, kas izgatavoti, izmantojot šo stratēģiju, ir komercializēti, piemēram, Separion (tirdzniecības nosaukums).
(2) Separatora materiālu maiņa no poliolefīna uz augstas kušanas temperatūras polimēriem ar zemu saraušanos karsējot, piemēram, poliimīdu, celulozi, poli(butilēna)tereftalātu un citus analogus poli(esterus), ir vēl viena efektīva stratēģija termiskās stabilitātes uzlabošanai. no atdalītājiem (5F att).Piemēram, poliimīds ir termoreaktīvs polimērs, ko plaši uzskata par daudzsološu alternatīvu, jo tam ir lieliska termiskā stabilitāte (stabils virs 400°C), laba ķīmiskā izturība, augsta stiepes izturība, laba elektrolīta mitrināmība un liesmas slāpēšanas spēja.5G att) .
Akumulatoru paketes ar dzesēšanas funkciju.Lai uzlabotu akumulatora veiktspēju un palēninātu temperatūras paaugstināšanos, ir izmantotas ierīces mēroga siltuma pārvaldības sistēmas, ko nodrošina gaisa vai šķidruma dzesēšana.Turklāt akumulatoru komplektos ir integrēti fāzes maiņas materiāli, piemēram, parafīna vasks, kas darbojas kā siltuma izlietne, kas regulē to temperatūru, tādējādi izvairoties no temperatūras ļaunprātīgas izmantošanas.
Lai atrisinātu problēmas 3. posmā (sadegšana un sprādziens)
Siltums, skābeklis un degviela, kas pazīstami kā "uguns trīsstūris", ir nepieciešamās sastāvdaļas lielākajai daļai ugunsgrēku.Uzkrājoties siltumam un skābeklim, kas rodas 1. un 2. posma laikā, degviela (tas ir, viegli uzliesmojoši elektrolīti) automātiski sāks degt.Elektrolītu šķīdinātāju uzliesmojamības samazināšana ir ļoti svarīga akumulatora drošībai un turpmākai LIB liela mēroga lietošanai.
Liesmu slāpējošas piedevas.Milzīgi pētniecības centieni ir veltīti liesmu slāpējošu piedevu izstrādei, lai samazinātu šķidro elektrolītu uzliesmojamību.Lielākā daļa liesmu slāpējošo piedevu, ko izmanto šķidros elektrolītos, ir balstītas uz organiskiem fosfora savienojumiem vai organiskiem halogenētiem savienojumiem.Tā kā halogēni ir bīstami videi un cilvēku veselībai, organiskie fosfora savienojumi ir daudzsološāki kandidāti kā liesmu slāpējošas piedevas, jo tiem ir augsta liesmas slāpēšanas spēja un tie ir videi draudzīgi.Tipiski organiskie fosfora savienojumi ir trimetilfosfāts, trifenilfosfāts, bis(2-metoksietoksi)metilalilfosfonāts, tris(2,2,2-trifluoretil)fosfīts, (etoksi)pentafluorciklotrifosfazēns, etilēnetilfosfāts utt.6A att).Parasti tiek uzskatīts, ka šo fosforu saturošo savienojumu liesmas slāpēšanas iedarbības mehānisms ir ķīmisks radikāļu attīrīšanas process.Degšanas laikā fosforu saturošās molekulas var sadalīties līdz fosforu saturošām brīvo radikāļu sugām, kas pēc tam var pārtraukt ķēdes reakcijas izplatīšanās laikā radušos radikāļus (piemēram, H un OH radikāļus), kas ir atbildīgi par nepārtrauktu degšanu (6. att, B un C).Diemžēl uzliesmojamības samazināšanās, pievienojot šos fosforu saturošos liesmas slāpētājus, notiek uz elektroķīmiskās veiktspējas rēķina.Lai uzlabotu šo kompromisu, citi pētnieki ir veikuši dažas izmaiņas to molekulārajā struktūrā: (i) daļēja alkilfosfātu fluorēšana var uzlabot to reduktīvo stabilitāti un liesmas slāpēšanas efektivitāti;ii) tādu savienojumu izmantošana, kuriem ir gan aizsargplēvi veidojošas, gan liesmu slāpējošas īpašības, piemēram, bis(2-metoksietoksi)metilalilfosfonāts, kur alilgrupas var polimerizēties un veidot stabilu SEI plēvi uz grafīta virsmām, tādējādi efektīvi novēršot bīstamo pusi. reakcijas;(iii) P(V) fosfāta maiņa pret P(III) fosfītiem, kas veicina SEI veidošanos un spēj dezaktivēt bīstamo PF5 [piemēram, tris(2,2,2-trifluoretil) fosfītu];un (iv) fosfororganisko piedevu aizstāšana ar cikliskiem fosfazīniem, īpaši fluorētu ciklofosfazēnu, kam ir uzlabota elektroķīmiskā savietojamība.
6. att. Stratēģijas problēmu risināšanai 3. posmā.
(A) Tipiskas liesmu slāpējošu piedevu molekulārās struktūras.(B) Šo fosforu saturošo savienojumu liesmas slāpēšanas efekta mehānisms parasti tiek uzskatīts par ķīmisku radikāļu attīrīšanas procesu, kas var izbeigt radikālas ķēdes reakcijas, kas ir atbildīgas par sadegšanas reakciju gāzes fāzē.TPP, trifenilfosfāts.(C) Tipiskā karbonāta elektrolīta pašizdegšanās laiku (SET) var ievērojami samazināt, pievienojot trifenilfosfātu.(D) “Viedā” elektrovērptā separatora shēma ar termiski iedarbinātām liesmu slāpējošām īpašībām LIB.Brīvi stāvošais separators sastāv no mikrošķiedrām ar serdes un apvalka struktūru, kur liesmas slāpētājs ir kodols un polimērs ir apvalks.Pēc termiskās palaišanas polimēra apvalks izkūst, un pēc tam iekapsulētais liesmas slāpētājs tiek izlaists elektrolītā, tādējādi efektīvi nomācot elektrolītu aizdegšanos un sadegšanu.(E) TPP@PVDF-HFP mikrošķiedru SEM attēls pēc kodināšanas skaidri parāda to serdes un apvalka struktūru.Mēroga josla, 5 μm.(F) Tipiskas istabas temperatūras jonu šķidruma molekulārās struktūras, ko izmanto kā neuzliesmojošus elektrolītus LIB.(G) PFPE, neuzliesmojoša perfluorēta PEO analoga, molekulārā struktūra.Uz polimēru ķēžu spailēm ir modificētas divas metilkarbonāta grupas, lai nodrošinātu molekulu savietojamību ar pašreizējām akumulatoru sistēmām.
Jāņem vērā, ka vienmēr pastāv kompromiss starp samazinātu elektrolīta uzliesmojamību un šūnu veiktspēju attiecībā uz uzskaitītajām piedevām, lai gan šis kompromiss ir uzlabots, izmantojot iepriekš minētos molekulāros modeļus.Vēl viena ierosinātā stratēģija šīs problēmas risināšanai ietver liesmas slāpētāja iekļaušanu mikrošķiedru aizsargājošā polimēra apvalkā, kas tālāk tiek sakrauts, lai izveidotu neaustu separatoru (6. D attēls) .LIB tika izgatavots jauns elektriski vērptas neaustas mikrošķiedras separators ar termiski iedarbinātām liesmu slāpējošām īpašībām.Liesmas slāpētāja iekapsulēšana aizsargājošā polimēra apvalka iekšpusē novērš liesmas slāpētāja tiešu pakļaušanu elektrolītam, novēršot antipirēnu negatīvo ietekmi uz akumulatora elektroķīmisko darbību (6E att).Tomēr, ja LIB akumulators nokļūst termiski, poli(vinilidēnfluorīda-heksafluorpropilēna) kopolimēra (PVDF-HFP) apvalks izkusīs, temperatūrai paaugstinoties.Tad iekapsulētais trifenilfosfāta liesmas slāpētājs tiks izlaists elektrolītā, tādējādi efektīvi nomācot viegli uzliesmojošo elektrolītu sadegšanu.
Lai atrisinātu šo dilemmu, tika izstrādāta arī “sāls koncentrēta elektrolīta” koncepcija.Šie ugunsdzēšanas organiskie elektrolīti uzlādējamām baterijām satur LiN(SO2F)2 kā sāli un populāru trimetilfosfāta (TMP) liesmas slāpētāju kā vienīgo šķīdinātāju.Spontānai no sāļiem iegūta neorganiskā SEI veidošanās uz anoda ir būtiska stabilai elektroķīmiskajai veiktspējai.Šo jauno stratēģiju var attiecināt uz dažādiem citiem liesmas slāpētājiem, un tā var pavērt jaunu ceļu jaunu liesmu slāpējošu šķīdinātāju izstrādei drošākiem LIB.
Neuzliesmojoši šķidri elektrolīti.Galīgais risinājums elektrolīta drošības problēmām būtu būtībā neuzliesmojošu elektrolītu izstrāde.Viena nedegošu elektrolītu grupa, kas ir plaši pētīta, ir jonu šķidrumi, jo īpaši istabas temperatūras jonu šķidrumi, kas ir negaistoši (nav nosakāms tvaika spiediens zem 200°C) un neuzliesmojošs, un tiem ir plašs temperatūras logs (6F attēls) .Tomēr joprojām ir nepieciešami nepārtraukti pētījumi, lai atrisinātu problēmas ar zemu ātrumu, kas rodas to augstās viskozitātes, zemā Li pārneses skaitļa, katoda vai reduktīvās nestabilitātes un jonu šķidrumu augstās izmaksas dēļ.
Zemas molekulmasas hidrofluorēteri ir vēl viena neuzliesmojošu šķidru elektrolītu klase, jo tiem ir augsts vai nav uzliesmošanas punkts, neuzliesmojamība, zems virsmas spraigums, zema viskozitāte, zema sasalšanas temperatūra utt.Jāizstrādā pareiza molekulārā konstrukcija, lai pielāgotu to ķīmiskās īpašības, lai tās atbilstu akumulatoru elektrolītu kritērijiem.Interesants piemērs, par kuru nesen ziņots, ir perfluorpoliēteris (PFPE), perfluorēta polietilēna oksīda (PEO) analogs, kas ir labi pazīstams ar savu neuzliesmojamību (6G att) .PFPE ķēžu (PFPE-DMC) termināla grupās ir modificētas divas metilkarbonāta grupas, lai nodrošinātu molekulu savietojamību ar pašreizējām akumulatoru sistēmām.Tādējādi PFPE neuzliesmojamība un termiskā stabilitāte var ievērojami uzlabot LIB drošību, vienlaikus palielinot elektrolītu pārneses skaitu unikālās molekulārās struktūras dizaina dēļ.
3. posms ir pēdējais, bet īpaši būtisks termiskās izplūdes procesa posms.Jāatzīmē, ka, lai gan ir pieliktas lielas pūles, lai samazinātu mūsdienīgā šķidrā elektrolīta uzliesmojamību, negaistošu cietvielu elektrolītu izmantošana liecina par lielu cerību.Cietie elektrolīti galvenokārt iedalās divās kategorijās: neorganiskie keramikas elektrolīti [sulfīdi, oksīdi, nitrīdi, fosfāti utt.] un cietie polimēru elektrolīti [Li sāļu maisījumi ar polimēriem, piemēram, poli(etilēna oksīds), poliakrilnitrils utt.].Cieto elektrolītu uzlabošanas centieni šeit netiks sīki aprakstīti, jo šī tēma jau ir labi apkopota vairākos nesenos pārskatos.
PROGRAMMA
Agrāk ir izstrādāti daudzi jauni materiāli, lai uzlabotu akumulatoru drošību, lai gan problēma vēl nav pilnībā atrisināta.Turklāt drošības problēmu pamatā esošie mehānismi atšķiras atkarībā no akumulatora ķīmijas.Tādējādi ir jāprojektē īpaši materiāli, kas pielāgoti dažādām baterijām.Mēs uzskatām, ka vēl ir jāatklāj efektīvākas metodes un labi izstrādāti materiāli.Šeit mēs uzskaitām vairākus iespējamos virzienus turpmākai akumulatoru drošības izpētei.
Pirmkārt, ir svarīgi izstrādāt in situ vai in operando metodes, lai noteiktu un uzraudzītu LIB iekšējos veselības stāvokļus.Piemēram, termiskā bēguma process ir cieši saistīts ar iekšējo temperatūru vai spiediena pieaugumu LIB.Tomēr temperatūras sadalījums akumulatoru iekšpusē ir diezgan sarežģīts, un ir vajadzīgas metodes, lai precīzi uzraudzītu elektrolītu un elektrodu, kā arī separatoru vērtības.Tādējādi iespēja izmērīt šos parametrus dažādām sastāvdaļām ir ļoti svarīga, lai diagnosticētu un tādējādi novērstu akumulatora drošības apdraudējumu.
Separatoru termiskā stabilitāte ir ļoti svarīga akumulatora drošībai.Jaunizstrādātie polimēri ar augstu kušanas temperatūru efektīvi palielina separatora termisko integritāti.Tomēr to mehāniskās īpašības joprojām ir zemākas, ievērojami samazinot to apstrādājamību akumulatora montāžas laikā.Turklāt cena ir arī svarīgs faktors, kas jāņem vērā praktiskā pielietojumā.
Šķiet, ka cieto elektrolītu izstrāde ir galvenais risinājums LIB drošības problēmām.Cietais elektrolīts ievērojami samazinās akumulatora iekšējā īssavienojuma iespējamību, kā arī ugunsgrēka un sprādziena risku.Lai gan lielas pūles ir veltītas cieto elektrolītu attīstībai, to darbība joprojām ievērojami atpaliek no šķidro elektrolītu rādītājiem.Neorganisko un polimēru elektrolītu kompozītmateriāliem ir liels potenciāls, taču tiem ir nepieciešama smalka konstrukcija un sagatavošana.Mēs uzsveram, ka pareizai neorganisko polimēru saskarņu konstrukcijai un to izlīdzināšanai ir izšķiroša nozīme efektīvai litija jonu transportēšanai.
Jāņem vērā, ka šķidrais elektrolīts nav vienīgā akumulatora sastāvdaļa, kas ir degoša.Piemēram, ja LIB ir ļoti uzlādēti, arī degošie litija anoda materiāli (piemēram, litētais grafīts) ir arī lielas drošības problēmas.Lai palielinātu to drošību, ir ļoti pieprasīti liesmas slāpētāji, kas var efektīvi aizkavēt cietvielu materiālu ugunsgrēku.Liesmas slāpētājus var sajaukt ar grafītu polimēru saistvielu vai vadošu karkasu veidā.
Akumulatora drošība ir diezgan sarežģīta un sarežģīta problēma.Akumulatoru drošības nākotne prasa vairāk pūļu fundamentālos mehāniskos pētījumos, lai iegūtu dziļāku izpratni papildus progresīvākām raksturošanas metodēm, kas var piedāvāt papildu informāciju, lai vadītu materiālu dizainu.Lai gan šajā pārskatā galvenā uzmanība pievērsta materiālu līmeņa drošībai, jāatzīmē, ka ir nepieciešama visaptveroša pieeja, lai atrisinātu LIB drošības problēmu, kur materiāliem, elementu komponentiem un formātam, kā arī akumulatora modulim un komplektiem ir vienāda nozīme, lai akumulatori būtu uzticami pirms tam. tie tiek laisti tirgū.
ATSAUCES UN PIEZĪMES
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, materiāli litija jonu akumulatoru drošībai, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Izlikšanas laiks: jūnijs 05-2021
