Abstrakt
Lityum-ion batareýalary (LIB) iň möhüm energiýa saklaýyş tehnologiýalarynyň biri hasaplanýar.Batareýalaryň energiýa dykyzlygy artdygyça, energiýa bilgeşleýin goýberilse, batareýanyň howpsuzlygy hasam möhüm bolýar.LIB-leriň ýangynlary we partlamalary bilen baglanyşykly hadysalar dünýäde ýygy-ýygydan ýüze çykýar.Käbirleri adam ömrüne we saglygyna çynlakaý howp saldy we öndürijiler tarapyndan köp sanly önümiň yzyna çagyrylmagyna sebäp boldy.Bu hadysalar, batareýalar üçin howpsuzlygyň hökmany şertdigini we ýokary energiýaly batareýa ulgamlaryny geljekde ulanmazdan ozal çynlakaý meseleleriň çözülmelidigini ýatladýar.Bu syn, LIB howpsuzlygy meseleleriniň gelip çykyşynyň esaslaryny jemlemegi we LIB howpsuzlygyny ýokarlandyrmak üçin materiallar dizaýnynda soňky möhüm ösüşi görkezmegi maksat edinýär.Bu syn, esasanam ýokary energiýa dykyzlygy bilen ýüze çykýan LIB-ler üçin batareýanyň howpsuzlygyny hasam gowulandyrar diýip garaşýarys.
LIB HOWPSUZLYK MESELELERINIIG DÜZGÜNLERI
LIB-leriň içindäki organiki suwuk elektrolit içerde ýanýar.LIB ulgamynyň iň betbagtçylykly şowsuzlyklaryndan biri, batareýanyň howpsuzlygy aladalarynyň esasy sebäbi hasaplanýan kaskadly termiki gaçmak hadysasydyr.Umuman, ýylylyk gaçmagy ekzotermiki reaksiýa gözegçilikden çykanda ýüze çykýar.Batareýanyň temperaturasy ~ 80 ° C-den ýokary göterilende, batareýalaryň içindäki ekzotermiki himiki reaksiýa ýokarlanýar we öýjügi hasam gyzdyrýar, netijede oňyn seslenme bolýar.Yzygiderli ýokarlanýan temperatura, esasanam uly batareýa gaplary üçin ýangyna we partlamalara sebäp bolup biler.Şonuň üçin termiki gaçmagyň sebäplerine we proseslerine düşünmek LIB-leriň howpsuzlygyny we ygtybarlylygyny ýokarlandyrmak üçin işleýän materiallaryň dizaýnyna ýol görkezip biler.Malylylyk gaçmak prosesi, jemlenişi ýaly üç basgançaga bölünip bilner1-nji surat.
1-nji surat. Malylylyk gaçmagy üçin üç basgançak.
1-nji tapgyra: Gyzgynlygyň başlamagy.Batareýalar adaty ýagdaýdan adaty bolmadyk ýagdaýa üýtgeýär we içki temperatura ýokarlanyp başlaýar.2-nji tapgyra: atylylyk ýygnamak we gaz çykarmak prosesi.Içki temperatura çalt ýokarlanýar we batareýa ekzotermiki reaksiýalary başdan geçirýär.3-nji tapgyra: tionanmak we partlama.Lamanýan elektrolit ýanýar, ýangyna we hatda partlamalara sebäp bolýar.
Gyzgynlygyň başlanmagy (1-nji tapgyra)
Malylylyk gaçmagy batareýa ulgamynyň gyzmagyndan başlaýar.Başlangyç gyzdyryş, batareýanyň dizaýn edilen naprýa .eniýeniň (aşa güýçlenmegiň) daşynda zarýad berilmegi, aşa gyzgynlyga sezewar bolmagy, simleriň nädogry bolmagy sebäpli daşarky gysga utgaşmalar ýa-da öýjükleriň kemçilikleri sebäpli içerki gysga utgaşmalar netijesinde bolup biler.Şolaryň arasynda ýylylyk gaçmagynyň esasy sebäbi içerki gysgaltma bolup durýar we gözegçilik etmek gaty kyn.Içerki gysgalma, daşarky metal galyndylarynyň aralaşmagy ýaly öýjükleriň döwülmeginde bolup biler;ulag bilen çaknyşmak;currentokary tok dykyzlygy zarýad astynda, aşa zarýad bermek şertlerinde ýa-da pes temperaturada litiý dendrit emele gelmegi;we batareýany ýygnamak wagtynda döredilen kemçilikli bölüjiler.Mysal üçin, 2013-nji ýylyň oktýabr aýynyň başynda Sietl şäheriniň golaýyndaky Tesla awtoulagy galkana we batareýa paketine deşilen metal galyndylaryna degdi.Galyndylar polimer bölüjilerine aralaşdy we katody we anody gönüden-göni birleşdirdi, batareýanyň gysga utgaşmagyna we ýangynyň döremegine sebäp boldy;2016-njy ýylda “Samsung Note 7” batareýasynyň ýangynlary, daşarky basyşdan ýa-da polo positiveitel elektrodda kebşirleýiş gabyklaryndan aňsatlyk bilen zaýalanan, batareýanyň gysga utgaşmagyna sebäp bolýan agressiw ultratin bölüji sebäpli ýüze çykdy.
1-nji etapda batareýanyň işleýşi adaty ýagdaýdan adaty bolmadyk ýagdaýa üýtgeýär we ýokarda sanalan meseleleriň hemmesi batareýanyň gyzmagyna sebäp bolar.Içerki temperatura ýokarlanyp başlanda 1-nji tapgyra gutarýar we 2-nji tapgyra başlaýar.
Atylylyk ýygnamak we gaz çykarmak prosesi (2-nji tapgyra)
2-nji tapgyra başlanda içerki temperatura çalt ýokarlanýar we batareýa aşakdaky reaksiýalary başdan geçirýär (bu reaksiýalar takyk tertipde ýüze çykmaýar; olaryň käbiri bir wagtda bolup biler):
(1) Gyzgynlygy ýa-da fiziki aralaşmagy sebäpli gaty elektrolit interfaza (SEI) dargamak.SEI gatlagy esasan durnukly (LiF we Li2CO3 ýaly) we metastable [polimerler, ROCO2Li, (CH2OCO2Li) 2 we ROLi] komponentlerinden durýar.Şeýle-de bolsa, metastable komponentler ýanýan gazlary we kislorody bölüp, takmynan> 90 ° C-de ekzotermiki taýdan dargap biler.Mysal hökmünde (CH2OCO2Li) 2 alyň
(CH2OCO2Li) 2 → Li2CO3 + C2H4 + CO2 + 0.5O2
.Bu, temperaturany hasam ýokarlandyrýan ekzotermiki reaksiýa.
(3) HaçanT> ~ 130 ° C, polietilen (PE) / polipropilen (PP) bölüji eräp başlaýar, bu ýagdaýy hasam erbetleşdirýär we katod bilen anodyň arasynda gysga zynjyryň döremegine sebäp bolýar.
(4) Netijede, ýylylyk litiý metal oksidi katod materialynyň çüýremegine sebäp bolýar we kislorodyň çykmagyna sebäp bolýar.LiCoO2-i mysal hökmünde alyň, aşakdaky ýaly ~ 180 ° C-den başlap çüýräp biler
Katodyň döwülmegi hem ýokary ekzotermiki bolup, temperaturany we basyşy hasam ýokarlandyrýar we netijede reaksiýalary hasam çaltlaşdyrýar.
2-nji tapgyra, temperatura ýokarlanýar we batareýalaryň içinde kislorod ýygnanýar.Batareýanyň ýanmagy üçin ýeterlik kislorod we ýylylyk toplan badyna termiki gaçmak prosesi 2-nji tapgyra 3-nji tapgyra geçýär.
Busanmak we partlama (3-nji tapgyra)
3-nji tapgyra ýakylýar.LIB-leriň elektrolitleri siklik we çyzykly alkil karbonatlaryň ähliumumy birleşmesi diýen ýaly organiki.Olarda ýokary üýtgewsizlik bar we içerde ýokary ýangyjy.Mysal hökmünde giňden ulanylýan karbonat elektrolitini (etilen karbonatyň (EC) + dimetil karbonatyň garyndysy (DMC) (agramy 1: 1)) alyp, otag temperaturasynda 4,8 kPa bug basyşyny we aşa pes fleş nokadyny görkezýär. 1,013 bar howa basyşynda 25 ° ± 1 ° C-den.2-nji tapgyra goýberilen kislorod we ýylylyk, ýanýan organiki elektrolitleriň ýanmagy üçin zerur şertleri üpjün edýär we şeýlelik bilen ýangyn ýa-da partlama howpuny döredýär.
2-nji we 3-nji tapgyrlarda ekzotermiki reaksiýalar adiabatik şertlerde bolup geçýär.Şeýlelik bilen, tizlenýän kalorimetriýa (ARC), termiki gaçmagyň reaksiýa kinetikasyna düşünmegimizi ýeňilleşdirýän LIB-leriň içindäki daşky gurşawy simulýasiýa edýän giňden ulanylýan usuldyr.2-nji suratmalylylyk ulanylyş synaglarynda ýazylan LIB-iň adaty ARC egrisini görkezýär.2-nji tapgyra temperaturanyň ýokarlanmagyny simulirlemek, daşarky ýylylyk çeşmesi batareýanyň temperaturasyny başlanýan temperatura çenli ýokarlandyrýar.Bu temperaturadan ýokary, SEI dargap, has ekzotermiki himiki reaksiýalary döreder.Ahyrynda aýyryjy erär.Öz-özüni ýylatmak derejesi soňundan ýokarlanar we termiki gaçmaga sebäp bolar (öz-özüni gyzdyrmagyň tizligi> 10 ° C / min) we elektrolitleriň ýanmagy (3-nji tapgyra).
Anod mezokarbon mikrobly grafitdir.Katod LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.Elektrolit EC / PC / DMC-de 1,2 M LiPF6.“Celgard 2325” üçburçly bölüji ulanyldy.Elektrokimiýa Jemgyýetiniň rugsady bilen uýgunlaşdyryldy.
Aboveokarda görkezilen reaksiýalaryň berlen tertipde yzly-yzyna bolup geçmeýändigini bellemelidiris.Has dogrusy, çylşyrymly we yzygiderli meseleler.
ÖSÜŞ BATERIYA HOWPSUZLYGY BILEN MATERIALLAR
Batareýanyň ýylylyk gaçmagy düşünjesine esaslanyp, batareýanyň bölekleriniň rasional dizaýny arkaly howpsuzlyk howplaryny azaltmak maksady bilen köp çemeleşmeler öwrenilýär.Geljekki bölümlerde batareýanyň howpsuzlygyny ýokarlandyrmak, dürli termiki gaçmak tapgyrlaryna laýyk gelýän meseleleri çözmek üçin dürli material çemeleşmelerini jemleýäris.
Meseleleri 1-nji tapgyra çözmek üçin (gyzmagyň başlamagy)
Ygtybarly anod materiallary.LIB-iň anodynda Li dendrit emele gelmegi termiki gaçmagyň birinji tapgyryny başlaýar.Täjirçilik LIB-leriniň anodlarynda (meselem, uglerod anodlary) bu mesele ýeňilleşdirilen hem bolsa, Li dendritiň emele gelmegi düýbünden päsgel bermedi.Mysal üçin, täjirçilik LIB-lerinde, anodlar we katodlar gowy jübütlenmedik bolsa, grafit elektrod gyralarynda dendrit çökdürilmegi has ileri tutulýar.Mundan başga-da, LIB-leriň nädogry işleýiş şertleri, dendritiň ösmegi bilen Li metalyň çökmegine sebäp bolup biler.Batareýa zarýad berilse (i) ýokary tok dykyzlygynda Li metalynyň çökdürilmegi köp grafitde Li ionlarynyň ýaýramagyndan has çalt bolsa, dendritiň aňsatlyk bilen emele gelip biljekdigi hemmelere mälimdir;(ii) grafit artykmaç bolanda artykmaç zarýad bermek şertlerinde;we (iii) suwuk elektrolitleriň ýapyşyklylygynyň ýokarlanmagy we Li-ionyň diffuziýa garşylygy ýokarlanmagy sebäpli pes temperaturalarda [mysal üçin, aşaky temperatura (~ 0 ° C)].
Materiallaryň häsiýetleri nukdaýnazaryndan, anodda Li dendritiň ösüşiniň başlangyjyny kesgitleýän kök gelip çykyşy, ýerli tok paýlanyşynyň deň däl bolmagyna sebäp bolýan durnuksyz we birmeňzeş SEI.SEI birmeňzeşligini ýokarlandyrmak we Li dendritiň emele gelmegini ýok etmek üçin elektrolit komponentleri, esasanam goşundylar derňeldi.Adaty goşundylara organiki däl birleşmeler girýär (mysal üçin, CO2, LiI we ş.m.) we winilen karbonat we menimid goşundylary ýaly doýmadyk uglerod baglanyşyklaryny öz içine alýan organiki birleşmeler;butirolakton, etilen sulfit we olardan emele gelen durnuksyz siklik molekulalar;we beýlekiler bilen bir hatarda ftoretilen karbonat ýaly ftorly birleşmeler.Hatda milliondan bir bölek derejesinde-de bu molekulalar SEI morfologiýasyny kämilleşdirip biler, şeýlelik bilen Li-ion akymyny birmeňzeşleşdirer we Li dendritiň döremek mümkinçiligini aradan aýyrar.
Umuman aýdanyňda, Li dendrit kynçylyklary grafitde ýa-da uglerodly anodlarda we indiki nesil anodlaryny öz içine alýan kremniy / SiO-da bar.Li dendritiň ösmegi meselesini çözmek, ýakyn wagtda ýokary energiýa dykyzlygy Li-ion himiýalarynyň uýgunlaşmagy üçin möhüm mesele.Recentlyaňy-ýakynda bellemeli zat, Li dendritiniň arassa Li metal anodlarynda Li dendrit emele gelmegi meselesini Li çökdürilende Li-ion akymyny birmeňzeşleşdirip çözmek üçin köp tagallalar edildi;meselem, gorag gatlagynyň örtügi, emeli SEI in engineeringenerligi we ş.m. Bu nukdaýnazardan, käbir usullar LIB-lerdäki uglerod anodlary meselesini nädip çözmelidigini açyp biler.
Köpugurly suwuk elektrolitler we bölüjiler.Suwuk elektrolit we bölüji ýokary energiýaly katody we anody fiziki taýdan bölmekde möhüm rol oýnaýar.Şeýlelik bilen, oňat işlenip düzülen köp wezipeli elektrolitler we bölüjiler batareýany termiki gaçmagyň irki döwründe (1-nji tapgyra) batareýalary ep-esli derejede gorap biler.
Batareýalary mehaniki ezmekden goramak üçin, gazlandyrylan kremniniň karbonat elektrolitine ýönekeý goşulmagy bilen gyrkyjy galyňlaşýan suwuk elektrolit (EC / DMC-de 1 M LiFP6) alyndy.Mehaniki basyşdan ýa-da täsirden soň, suwuklyk ýelimliligiň ýokarlanmagy bilen gyrkymyň galyňlaşma täsirini görkezýär, şonuň üçin täsir energiýasyny paýlaýar we ezmäge çydamlylygy görkezýär (3A surat)
3-nji surat. 1-nji tapgyra degişli meseleleri çözmek üçin strategiýalar.
(A) Gyrkylan elektrolit.Topokarky: Adaty elektrolit üçin mehaniki täsir batareýanyň içerki gysgalmagyna, ýangynyň we partlamanyň döremegine sebäp bolup biler.Aşakda: Basyş ýa-da täsir astynda gyrkymyň galyňlaşdyryjy täsiri bolan täze akylly elektrolit, batareýalaryň mehaniki howpsuzlygyny ep-esli ýokarlandyryp biljek ezilmegine gaty çydamlylygy görkezýär.(B) Lityum dendritleri ir ýüze çykarmak üçin iki taraplaýyn bölüjiler.Adaty litiý batareýasynda dendrit emele gelişi, bu ýerde bölüjiniň litiý dendrit bilen doly aralaşmagy diňe içerki gysga zynjyr sebäpli batareýa şowsuz bolanda ýüze çykýar.Deňeşdirilende, iki taraplaýyn bölüji (iki adaty bölüjiniň arasynda sandwiç geçiriji gatlakdan ybarat) litiý batareýasy, bu ýerde aşa köp litiý dendrit bölüjiniň içine girýär we geçiriji mis gatlagy bilen aragatnaşyk saklaýar, netijede aşak düşýär.VIçerki gysga utgaşma sebäpli ýüze çykýan şowsuzlygyň duýduryşy bolup hyzmat edýän Cu - Li.Şeýle-de bolsa, doly batareýa nol däl potensialy bilen ygtybarly işleýär.(A) we (B) “Springer Nature” -yň rugsady bilen uýgunlaşdyrylýar ýa-da köpeldilýär.(C) Howply Li dendritleri iýmek we batareýanyň ömrüni uzaltmak üçin üçburçly bölüji.Çepden: Lityum anodlary kem-kemden ulalyp, inert polimer bölüjisine aralaşyp bilýän dendrit ýataklaryny aňsatlyk bilen emele getirip biler.Dendritler ahyrsoňy katody we anody birleşdirenlerinde, batareýa gysga utgaşýar we şowsuz bolýar.Sagda: Silikon nanopartikullaryň bir gatlagy täjirçilik polimer bölüjileriniň iki gatlagy bilen sandwiç edildi.Şonuň üçin litiý dendritleri ulalanda we bölüjä aralaşanda, sandwiç gatlagynda kremniniň nanopartikullary bilen habarlaşarlar we elektrokimiki taýdan sarp ediler.(D) Silisiýa nanopartikulyň sandwiçli bölüjisiniň elektron mikroskopiýa (SEM) şekilini skanirlemek.(E) Adaty bölüji (gyzyl egrilik) we silisiýa nanopartikul sandwiçli üçburçly aýyryjy (gara egrilik) bilen Li / Li batareýasynyň wagt profiline garşy adaty naprýa .eniýe.(C), (D) we (E) Jon Wili we Sonsyň rugsady bilen köpeldilýär.(F) Redoks gatnaw goşundylarynyň mehanizmleriniň shemasy.Artykmaç güýçlendirilen katodyň üstünde, redoks goşundysy [O] görnüşine okislenýär, soň bolsa elektrolitiň üsti bilen anodyň üstündäki öňki ýagdaýyna [R] azalýar.Okislenme-diffuziýa-azaltmak-diffuziýanyň elektrohimiki sikli belli bir wagtlap saklanyp bilner we şonuň üçin katod potensialyny howply artykmaç zarýaddan ýapýar.(G) Redoks gatnaw goşundylarynyň adaty himiki gurluşlary.(H) potensial potensialynda elektrokimiki polimerizasiýa edip bilýän ýapyk artykmaç goşmaçalaryň mehanizmi.(I) Öçürmek artykmaç zarýad goşundylarynyň adaty himiki gurluşlary.Goşundylaryň iş potensialy (G), (H) we (I) her molekulýar gurluşyň aşagynda görkezilýär.
Aýyryjylar katody we anody elektron görnüşinde izolýasiýa edip bilerler we geçmişiň hasam erbetleşmeginiň öňüni almak üçin batareýanyň saglyk ýagdaýyna gözegçilik etmekde möhüm rol oýnap bilerler. Mysal üçin, polimer-metal-polimer üçburçly konfigurasiýasy bolan “iki taraplaýyn bölüji” (3B-nji surat) täze naprýa .eniýe duýgusyny üpjün edip biler.Dendrit ulalanda we orta gatlaga ýetende, demir gatlagy we anody birleşdirer, şonuň üçin olaryň arasynda duýdansyz naprýa dropeniýe gaçmagy derrew ýüze çykyp biler.
Ectionüze çykarylandan başga-da, üçburçly bölüji, howply Li dendritlerini iýmek we bölüjä gireninden soň ösüşini haýallatmak üçin döredildi.Söwda poliolefin bölüjileriniň iki gatlagy bilen sandwiçlenen kremniniň nanopartikullarynyň bir gatlagy (3-nji surat, C we D), girip bilýän howply Li dendritlerini sarp edip biler, şeýlelik bilen batareýanyň howpsuzlygyny ýokarlandyrar.Goralýan batareýanyň ömri adaty bölüjiler bilen deňeşdirilende takmynan bäş esse uzaldyldy (3E-nji surat).
Artykmaç gorag.Artykmaç zarýad bermek, dizaýn edilen naprýa .eniýeden has köp batareýa zarýad bermek diýilýär.Artykmaç zarýad bermek, ýokary tok dykyzlygy, agressiw zarýad beriş profilleri we ş.m. sebäp bolup biler, bu bolsa (i) batareýanyň elektrohimiki işleýşine we howpsuzlygyna çynlakaý täsir edýän Li metalynyň anodda goýulmagy ýaly birnäçe meseläni döredip biler;(ii) kislorod goýberip, katod materialynyň dargamagy;we (iii) organiki elektrolitleriň dargamagy, ýylylyk we gaz önümleriniň (H2, uglewodorodlar, CO we ş.m.) bölünip çykmagy, ýylylyk gaçmagy üçin jogapkärdir.Aýrylyş wagtynda elektrokimiki reaksiýalar çylşyrymly, olaryň käbiri aşakda görkezilýär.
Teryldyzjyk (*) wodorod gazynyň protikadan gelip çykýandygyny, katodda karbonatlaryň okislenmegi netijesinde emele gelen toparlary galdyryp, H2-iň azalmagy we H2 öndürilmegi üçin anodlara ýaýramagyny aňladýar.
Funksiýalarynyň tapawudyna esaslanyp, artykmaç zarýad beriji goşundylar redoks gatnaw goşundylary we ýapmak goşundylary hökmünde toparlara bölünip bilner.Öňküsi öýjügi artykmaç zarýaddan tersine goraýar, ikinjisi öýjügiň işini hemişelik bes edýär.
Redoks gatnaw goşundylary, aşa zarýad berlende batareýa sanjylýan artykmaç zarýady elektrokimiki usulda ýapmak arkaly işleýär.Görkezilişi ýaly3F-nji surat, mehanizm elektrolit anodiki bölünişinden birneme pes okislenme potensialyna eýe bolan redoks goşundysyna esaslanýar.Artykmaç güýçlendirilen katodyň üstünde redoks goşundysy [O] görnüşine okislenýär, soň bolsa elektrolit arkaly ýaýradylandan soň anodyň üstünde öňki ýagdaýyna [R] azalýar.Ondan soň azaldylýan goşundy katoda gaýtadan ýaýrap biler we “okislenme-diffuziýa-azaltmak-diffuziýa” elektrokimiki siklini uzak wagtlap saklap bolar we şonuň üçin katod potensialyny has howply zarýaddan ýapar.Geçirilen gözlegler, goşundylaryň redoks potensialynyň katodyň potensialyndan takmynan 0,3 - 0,4 V ýokary bolmalydygyny görkezdi.
Organometalliki metalosenler, fenotiýazinler, trifenilaminler, dimetoksibenzenler we olardan emele gelenler we 2- (pentafluorofenil) -tetrafluoro-1,3,2-benzodioxaborole ýaly oňat himiki gurluşlar we redoks potensialy bolan goşundylar tapyldy.3G surat).Molekulýar gurluşlary düzmek bilen, goşmaça okislenme potensialyny çalt ösýän ýokary woltly katod materiallary we elektrolitler üçin amatly 4 V-den ýokary düzüp bolýar.Esasy dizaýn ýörelgesi, okislenme potensialynyň ýokarlanmagyna sebäp bolýan elektron çykaryjy ornuny goşmak arkaly goşundynyň iň ýokary tutulan molekulýar orbitalyny peseltmegi öz içine alýar.Organiki goşundylardan başga-da, diňe bir elektrolit duzy hökmünde işlemän, eýsem perfluoroboran klaster duzlary (ýagny litiý florododekaboratlar) (Li2B12F) ýaly redoks gatnawy bolup bilýän käbir organiki däl duzlar.xH12−x)], şeýle hem täsirli redoks gatnaw goşundylary tapyldy.
Öçürmek artykmaç zarýad goşundylary yzyna gaýtaryp bolmajak artykmaç zarýad gorag goşundylarydyr.Highokary potensialda gaz goýbermek bilen işleýärler, bu bolsa öz gezeginde häzirki kesiş enjamyny işjeňleşdirýär ýa-da katastrofiki netijeler ýüze çykmazdan ozal batareýanyň işini togtatmak üçin ýokary potensialda hemişelik elektrokimiki polimerizasiýa edýär (3H-nji surat).Öňkülere mysal üçin ksilen, sikloheksilbenzol we bipenil degişlidir, ikinjisine mysal üçin bipenil we beýleki çalşylýan aromatiki birleşmeler (3-nji surat).Öçürmek goşundylarynyň ýaramaz täsirleri, bu birleşmeleriň yzyna gaýtaryp bolmajak okislenmegi sebäpli LIB-leriň uzak möhletli işlemegi we saklanyşydyr.
Meseleleri 2-nji tapgyra çözmek üçin (ýylylyk ýygnamak we gaz çykarmak)
Ygtybarly katod materiallary.Gatlakly oksidler LiCoO2, LiNiO2 we LiMnO2 ýaly litiý geçiş metal oksidleri;spinel görnüşli oksid LiM2O4;we LiFePO4 polýanion görnüşi, katod materiallarynda giňden ulanylýar, ýöne esasanam ýokary temperaturada howpsuzlyk meselesi bar.Şolaryň arasynda, oliwin gurluşly LiFePO4 400 ° C çenli durnukly, birneme ygtybarly, LiCoO2 bolsa 250 ° C-de çüýräp başlaýar.LiFePO4 howpsuzlygynyň gowulaşmagynyň sebäbi, kislorod ionlarynyň hemmesiniň P43 + bilen güýçli kovalent baglanyşyklary emele getirmegidir, PO43− tetraedral polýanionlary emele getirýär, bu bolsa üç ölçegli çarçuwany durnuklaşdyrýar we beýleki katod materiallary bilen deňeşdirilende gowulaşan durnuklylygy üpjün edýär. käbir batareýada ýangyn hadysalary boldy.Howpsuzlygyň esasy aladasy, bu katod materiallarynyň ýokary temperaturada dargamagyndan we ýangynyň we partlamalaryň döremegine sebäp bolup, batareýanyň howpsuzlygyna çynlakaý zyýan berýän kislorodyň bir wagtyň özünde çykmagy bilen baglanyşyklydyr.Mysal üçin, LiNiO2 gatlakly oksidiň kristal gurluşy Ni2 + barlygy sebäpli durnuksyz, ion ululygy Li + bilen meňzeýär.Aýrylan LixNiO2 (x<1) has durnukly spinel görnüşli LiNi2O4 (spinel) we roksalt görnüşli NiO öwrülmäge ýykgyn edýär, kislorod 200 ° C töweregi suwuk elektrolitlere bölünip, elektrolitleriň ýanmagyna sebäp bolýar.
Atom doping we ýerüsti gorag örtükleri arkaly bu katod materiallarynyň ýylylyk durnuklylygyny ýokarlandyrmak üçin ep-esli tagallalar edildi.
Atom dopingi, durnuklaşdyrylan kristal gurluşlary sebäpli gatlakly oksid materiallarynyň ýylylyk durnuklylygyny ep-esli ýokarlandyryp biler.LiNiO2 ýa-da Li1.05Mn1.95O4-iň ýylylyk durnuklylygy Ni ýa-da Mn-ni Co, Mn, Mg we Al ýaly beýleki metal kationlar bilen bölekleýin çalyşmak arkaly ep-esli gowulaşyp biler.LiCoO2 üçin Ni we Mn ýaly doping we eritme elementleriniň ornaşdyrylmagy, bölünişiň başlanýan temperaturasyny düýpgöter ýokarlandyryp biler.Tdek, ýokary temperaturada elektrolit bilen reaksiýalardan gaça durmak.Şeýle-de bolsa, katod ýylylyk durnuklylygynyň ýokarlanmagy, belli bir derejede gurban bermek bilen bolýar.Bu meseläni çözmek üçin, gatlakly litiý nikel kobalt marganes oksidi esasynda zarýad berilýän litiý batareýalary üçin konsentrasiýa-gradient katod materialy işlenip düzüldi (4A surat).Bu materialda, her bölejigiň Ni konsentrasiýasynyň peselmegi we ýeriň ýakynlaşmagy bilen Mn we Co konsentrasiýalarynyň ýokarlanmagy bilen Ni baý merkezi köp we Mn baý daşky gatlak bar.4B-nji surat).Öňküsi ýokary kuwwatlylygy üpjün edýär, ikinjisi ýylylyk durnuklylygyny ýokarlandyrýar.Bu täze katod materialy, elektrohimiýa öndürijiligine zyýan bermezden batareýalaryň howpsuzlygyny ýokarlandyrmak üçin görkezildi (4C-nji surat).
4-nji surat 2-nji tapgyra degişli meseleleri çözmek üçin strategiýalar: Ygtybarly katodlar.
(A) Konsentrasiýa-gradient daşky gatlak bilen gurşalan Ni baý ýadroly polo positiveitel elektrod bölejiginiň shemasy.Her bölejikde Ni konsentrasiýasynyň peselmegi we Mn we Co konsentrasiýalarynyň ýokarlanmagy bilen Ni baý merkezi köp Li (Ni0.8Co0.1Mn0.1) O2 we Mn baý daşky gatlak [Li (Ni0.8Co0.1Mn0.1) O2] bar. ýüzüne ýakynlaşdygyça.Öňküsi ýokary kuwwatlylygy üpjün edýär, ikinjisi ýylylyk durnuklylygyny ýokarlandyrýar.Ortaça kompozisiýa Li (Ni0.68Co0.18Mn0.18) O2.Sag tarapda adaty bölejigiň skanirlenýän elektron mikrografy hem görkezilýär.(B) Soňky litiýlenen oksid Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18) O2-iň elektron-barlag rentgen mikroanaliz netijeleri.Gatnaşykda Ni, Mn we Co-nyň ýuwaş-ýuwaşdan konsentrasiýa üýtgemeleri görnüp dur.Ni konsentrasiýasy azalýar we Co we Mn konsentrasiýalary ýer ýüzüne köpelýär.. 1) O2, we Mn baý daşky gatlak [Li (Ni0.46Co0.23Mn0.31) O2].Materiallar 4.3 V. (A), (B) zarýad aldy we (C) Springer Tebigatyň rugsady bilen köpeldildi.(D) Çepde: AlPO4 nanopartikul bilen örtülen LiCoO2 elektron mikroskopiýa (TEM) açyk meýdan şekili;energiýa dispersiýa rentgen spektrometri örtük gatlagynda Al we P komponentlerini tassyklaýar.Sagda: nanoskale örtük gatlagynda AlPO4 nanopartikullaryny (diametri ~ 3 nm) görkezýän ýokary çözgütli TEM şekili;oklar AlPO4 gatlagy bilen LiCoO2 arasyndaky interfeýsi görkezýär.(E) Çepde: 12-V artykmaç zarýad synagyndan soň ýalaňaç LiCoO2 katodyny öz içine alýan öýjügiň suraty.Öýjük şol naprýa .eniýede ýakyldy we partlady.Sagda: 12-V artykmaç zarýad synagyndan soň AlPO4 nanopartikul bilen örtülen LiCoO2 öýjügiň suraty.(D) we (E) Jon Wili we Sons-yň rugsady bilen köpeldilýär.
Malylylyk durnuklylygyny ýokarlandyrmak üçin başga bir strategiýa, katod materiallarynyň elektrolit bilen göni aragatnaşygynyň öňüni alyp bilýän we şeýlelik bilen gapdal reaksiýalary we ýylylyk öndürijiligini peseldip bilýän termiki durnukly Li + geçiriji birleşmeleriň gorag inçe gatlagy bilen katod materialyny örtmekdir.Örtükler organiki däl filmler bolup biler (mysal üçin ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3 we ş.m.), Li ionlaryny litiýadan soň geçirip bilýän (4-nji surat, D we E) ýa-da poli (diallyldimetilamonium hlorid) ýaly organiki filmler, γ-butirolakton goşundylary we köp komponentli goşundylar (winilen karbonat, 1,3-propilen sulfit we dimetilasetamidden ybarat) ýaly gorag filmleri.
Oňyn temperatura koeffisiýenti bilen örtük girizmek, katodyň howpsuzlygyny ýokarlandyrmak üçin hem täsirli.Mysal üçin, poli (3-dekiltiopen) bilen örtülen LiCoO2 katodlary, temperatura 80 ° C çenli ýokarlanandan soň elektrokimiki reaksiýalary we gapdal reaksiýalary ýapyp biler, sebäbi geçiriji polimer gatlagy çalt garşylykly ýagdaýa öwrülip biler.Öz-özünden ýapylan oligomerleriň giper şahaly arhitekturasy bilen örtülmegi, batareýany katod tarapyndan ýapmak üçin termiki täsirli bloklaýyş gatlagy bolup biler.
Termiki çalyşýan tok kollektory.2-nji tapgyra batareýanyň temperaturasynyň ýokarlanmagy wagtynda elektrokimiki reaksiýalaryň ýapylmagy, temperaturanyň ýokarlanmagynyň öňüni alyp biler.Çalt we tersine termoresponsiw polimer kommutasiýa (TRPS) häzirki kollektoryň içine içerde girizildi (5A surat).TRPS inçe filmi, geçiriji doldurgyç hökmünde geçiriji grafen bilen örtülen çig nanostrukturaly nikel (GrNi) bölejiklerden we uly ýylylyk giňelme koeffisiýenti bolan PE matrisasyndan ybarat (α ~ 10−4 K - 1).Öndürilen polimer kompozit filmler otag temperaturasynda ýokary geçirijiligi (σ) görkezýär, ýöne temperatura kommutasiýa temperaturasyna ýakynlaşanda (Ts), geçiriji bölejikleri bölýän we geçiriji ýollary döwýän polimeriň göwrüminiň giňelmegi netijesinde geçirijilik 1 s içinde ýedi-sekiz ululykda peselýär (5B-nji surat).Film bada-bat izolýasiýa bolýar we şeýlelik bilen batareýanyň işleýşini bes edýär (5C-nji surat).Bu proses ýokary derejede tersine bolup, ýerine ýetirişe zyýan bermezden birnäçe gyzgyn hadysalardan soň hem işläp biler.
5-nji surat. 2-nji tapgyra degişli meseleleri çözmek üçin strategiýalar.
(A) TRPS tok kollektorynyň ýylylyk kommutasiýa mehanizminiň shematiki şekili.Ygtybarly batareýada inçe TRPS gatlagy bilen örtülen bir ýa-da iki tok kollektory bar.Otagyň temperaturasynda kadaly işleýär.Şeýle-de bolsa, ýokary temperatura ýa-da uly tok bolan ýagdaýynda polimer matrisa giňelýär we şeýlelik bilen geçirijilik ukybyny peseldip, garşylygy ep-esli ýokarlandyryp we batareýany ýapyp bilýän geçiriji bölejikleri bölýär.Şeýlelik bilen batareýanyň gurluşy zeper ýetmezden goralyp bilner.Sowadylanda polimer kiçelýär we asyl geçiriji ýollary täzeden alýar.:(C) Howpsuz LiCoO2 batareýasynyň 25 ° C we ýapylmagynyň arasynda mümkinçilikleriň gysgaça mazmuny.70 ° C-de nola ýakyn kuwwat doly ýapylýandygyny görkezýär.(A), (B) we (C) Springer Tebigatyň rugsady bilen köpeldilýär.(D) LIB-ler üçin mikrosfera esasly ýapyş düşünjesiniň shematiki görnüşi.Elektrodlar, içerki batareýanyň temperaturasyndan ýokary ýylylyk geçişini (ereýän) termoresponsive mikrosferalar bilen işleýär.Eredilen kapsulalar elektrodyň üstüni örtýär, ion izolýasiýa päsgelçiligini emele getirýär we batareýanyň öýjügini ýapýar.(E) 94% alýumin bölejiklerinden we 6% stiren-butadien rezin (SBR) baglaýjydan ybarat inçe we öz-özüne bagly organiki däl birleşme membranasy, ergin guýmak usuly bilen taýýarlandy.Sagda: Organiki däl birleşdiriji we PE bölüjisiniň ýylylyk durnuklylygyny görkezýän suratlar.Aýyryjylar 130 ° C-de 40 minut saklandy.PE nokat kwadrat bilen meýdandan ep-esli azaldy.Şeýle-de bolsa, birleşdiriji bölüji aç-açan gysylmany görkezmedi.Elsevier-iň rugsady bilen köpeldilýär.(F) Käbir ýokary ereýän temperatura polimerleriniň pes temperaturaly gysylmagy bilen bölüji materiallar hökmünde molekulýar gurluşy.Topokarky: polimid (PI).Orta: sellýuloza.Aşakda: poli (butilen) teraftalat.(G) Çep: PI-iň DSC spektrini PE we PP bölüji bilen deňeşdirmek;PI bölüji 30 ° -dan 275 ° C çenli aralykda ajaýyp ýylylyk durnuklylygyny görkezýär.Sagda: Söwda bölüjisiniň çyglylygyny we sintezlenen PI bölüjisini propilen karbonat elektrolit bilen deňeşdirýän sanly kamera suratlary.Amerikan himiýa jemgyýetiniň rugsady bilen köpeldilýär.
Malylylyk öçürijiler.2-nji tapgyra batareýalaryň ýylylyk gaçmagynyň öňüni almak üçin başga bir strategiýa, Li ionlarynyň geçiriji ýoluny bölüji arkaly ýapmakdyr.Aýyryjylar LIB-leriň howpsuzlygy üçin möhüm komponentler, sebäbi ion transportyna rugsat berýän mahaly ýokary energiýaly katod bilen anod materiallarynyň arasynda göni elektrik aragatnaşygynyň öňüni alýarlar.PP we PE iň köp ulanylýan materiallar, ýöne ýylylyk durnuklylygy pes, eriş nokatlary degişlilikde ~ 165 ° we ~ 135 ° C.Söwda LIB üçin, PP / PE / PP üçburç gurluşy bolan bölüjiler eýýäm täjirleşdirilipdir, bu ýerde PE goraýjy orta gatlakdyr.Batareýanyň içki temperaturasy kritiki temperaturadan (~ 130 ° C) ýokarlananda, gözenekli PE gatlagy bölekleýin ereýär, film gözeneklerini ýapýar we suwuk elektrolitde ionlaryň göçmeginiň öňüni alýar, PP gatlagy bolsa içerden gaça durmak üçin mehaniki goldaw berýär gysgaltma.Alterna-da başga, termiki jogap beriji PE ýa-da parafin mum mikrosferalaryny batareýanyň anodlarynyň ýa-da bölüjileriniň gorag gatlagy hökmünde ulanmak arkaly LIB-iň termiki öçürilmegine hem ýetip bolýar.Içerki batareýanyň temperaturasy möhüm ähmiýete eýe bolanda, mikrosferalar ereýär we anod / bölüjini geçip bolmaýan päsgelçilik bilen örtýär, Li-ion transportyny saklaýar we öýjügi hemişelik ýapýar (5D-nji surat).
Highokary ýylylyk durnuklylygy bilen bölüjiler.Batareýa bölüjileriniň ýylylyk durnuklylygyny ýokarlandyrmak üçin soňky birnäçe ýylda iki çemeleşme işlenip düzüldi:
.5E-nji surat), gaty ýokary ereýän nokatlary we ýokary mehaniki güýji görkeziň, şeýle hem ýokary ýylylyk geçirijiligine eýe.Bu strategiýanyň üsti bilen döredilen käbir birleşdiriji bölüjiler “Separion” (söwda ady) ýaly täjirleşdirildi.
. bölüjilerden (5F-nji surat).Mysal üçin, polimid ajaýyp termiki durnuklylygy (400 ° C-den ýokary durnuklylygy), gowy himiki garşylygy, ýokary dartyş güýji, gowy elektrolitleriň çyglylygy we ýangynyň yza galmagy sebäpli geljegi uly alternatiwa hökmünde kabul edilýän termosetting polimeridir.5G surat).
Sowuklama funksiýasy bilen batareýa paketleri.Howanyň aýlanmagy ýa-da suwuk sowadyş arkaly enjamlaşdyrylan termiki dolandyryş ulgamlary batareýanyň işleýşini gowulandyrmak we temperaturanyň ýokarlanmagyny peseltmek üçin ulanyldy.Mundan başga-da, parafin mumy ýaly fazany üýtgedýän materiallar, temperaturany kadalaşdyrmak üçin ýylylyk enjamy hökmünde hereket etmek üçin batareýa paketlerine birleşdirildi, şonuň üçin temperaturanyň erbet ulanylmagynyň öňüni aldy.
Meseleleri 3-nji tapgyra çözmek üçin (ýanmak we partlama)
“Ot üçburçlygy” diýlip atlandyrylýan ýylylyk, kislorod we ýangyç ýangynlaryň köpüsi üçin zerur maddalar.1-nji we 2-nji tapgyrlarda emele gelen ýylylygyň we kislorodyň toplanmagy bilen ýangyç (ýagny ýokary ýanýan elektrolitler) awtomatiki usulda ýanmaga başlar.Elektrolit erginleriniň ýangyjyny azaltmak, batareýanyň howpsuzlygy we LIB-leriň has giňden ulanylmagy üçin möhümdir.
Ameangyn saklaýjy goşundylar.Suwuk elektrolitleriň ýangyjyny peseltmek üçin ýangyn saklaýjy goşundylary ösdürmäge ägirt uly gözleg işleri geçirildi.Suwuk elektrolitlerde ulanylýan ýangyn saklaýjy goşundylaryň köpüsi organiki fosfor birleşmelerine ýa-da organiki galogen birleşmelere esaslanýar.Galogenler daşky gurşawa we adam saglygy üçin howply bolansoň, organiki fosfor birleşmeleri, ýangyny gorap saklamak ukyby we daşky gurşawa dostlugy sebäpli, ýangyn saklaýjy goşundylar hökmünde geljegi uly dalaşgärlerdir.Adaty organiki fosfor birleşmelerine trimetil fosfat, trifenil fosfat, bis (2-metoksietoksi) metilallilfosfonat, tris (2,2,2-trifloroetil) fosfit, (etoksi) pentafluorosiklotrifosfazen, etilen fosil degişlidir.6A-njy surat).Bu fosfory öz içine alýan birleşmeleriň ýangyny yza tesdirmegiň mehanizmi, adatça, himiki radikal ýuwmak prosesi hasaplanýar.Combangyş wagtynda fosfory öz içine alýan molekulalar fosfory öz içine alýan erkin radikal görnüşlere dargap biler, soň bolsa yzygiderli ýanmak üçin jogapkär zynjyr reaksiýasynyň ýaýramagynda emele gelen radikallary (mysal üçin H we OH radikallary) ýok edip biler (6-njy surat, B we C).Gynansagam, fosfory öz içine alýan ýalyn saklaýjylary goşmak bilen ýangynyň peselmegi elektrokimiki öndürijiligiň hasabyna ýüze çykýar.Bu söwdany gowulandyrmak üçin beýleki gözlegçiler molekulýar gurluşyna käbir üýtgeşmeler girizdiler: (i) alkil fosfatlaryň bölekleýin ftorlaşmagy olaryň reduktiw durnuklylygyny we ýangynyň yza galmagynyň netijeliligini ýokarlandyryp biler;: reaksiýalar;:we (iv) organofosfor goşundylaryny siklik fosfazenler bilen çalyşmak, esasanam elektrokimiki utgaşyklygy ýokarlandyran ftorly siklofosfazen.
6-njy surat, 3-nji tapgyra degişli meseleleri çözmek üçin strategiýalar.
(A) ameangyn saklaýjy goşundylaryň adaty molekulýar gurluşlary.(B) Bu fosfory öz içine alýan birleşmeleriň ýangyny yza tesdirmek mehanizmi, adatça, gaz fazasyndaky ýanma reaksiýasyna sebäp bolan radikal zynjyr reaksiýalaryny ýatyryp biljek himiki radikal ýuwmak prosesi hasaplanýar.TPP, trifenil fosfat.(C) Adaty karbonat elektrolitiniň öz-özüni öçürýän wagty (SET) trifenil fosfatyň goşulmagy bilen ep-esli azalýar.(D) LIB-ler üçin termiki hereketlendiriji alawy saklaýjy häsiýetleri bolan “akylly” elektrospun bölüjiniň shemasy.Erkin durýan aýyryjy, ýadro gabygynyň gurluşy bolan mikrofiberlerden durýar, bu ýerde ýangyn saklaýjy ýadro, polimer bolsa gabykdyr.Malylylyk hereketlendirijisinden soň polimer gabygy ereýär we soňra ýapylan alaw saklaýjysy elektrolitlere bölünýär we şeýlelik bilen elektrolitleriň tutaşmagyny we ýanmagyny netijeli basýar.(E) TPP @ PVDF-HFP mikrofiberleriniň SEM şekili, gabykdan soň ýadro gabygynyň gurluşyny aýdyň görkezýär.Tereziniň çyzgysy, 5 μm.(F) LIB-ler üçin ýanmaýan elektrolitler hökmünde ulanylýan otag temperaturasynyň ion suwuklygynyň adaty molekulýar gurluşlary.(G) PFPE-iň molekulýar gurluşy, ýanmaýan perflorirlenen PEO analogy.Molekulalaryň häzirki batareýa ulgamlary bilen sazlaşygyny üpjün etmek üçin polimer zynjyrlarynyň terminallarynda iki sany metil karbonat topary üýtgedilýär.
Elektrolitiň ýangyjynyň peselmegi bilen sanalan goşundylar üçin öýjük öndürijiliginiň arasynda elmydama söwda-satuwyň bardygyny bellemelidiris, ýöne bu ylalaşyk ýokardaky molekulýar dizaýnlar arkaly gowulaşdy.Bu meseläni çözmek üçin hödürlenýän başga bir strategiýa, mikrofiberleriň gorag polimer gabygynyň içinde ýangyn saklaýjyny, dokalmadyk bölüji emele getirmek üçin berkidilen ()6D-nji surat).LIB-ler üçin termiki hereketlendiriji alawy saklaýjy häsiýetli täze elektrospun dokalmadyk mikrofiber bölüji ýasaldy.Gorag polimer gabygynyň içindäki ýangyn saklaýjynyň gaplanmagy, ýangyn saklaýjynyň elektrolitlere göni täsir etmeginiň öňüni alýar we yza çekijileriň batareýanyň elektrohimiki işine ýaramaz täsiriniň öňüni alýar (6E-nji surat).Şeýle-de bolsa, LIB batareýasynyň ýylylyk gaçmagy ýüze çyksa, temperaturanyň ýokarlanmagy bilen poli (winilidenefluorid-heksafluoro propilen) kopolimer (PVDF-HFP) gabygy erär.Soňra örtülen trifenil fosfat alaw saklaýjysy elektrolitlere goýberiler we şeýlelik bilen ýokary ýanýan elektrolitleriň ýanmagyny netijeli basyp biler.
Bu kynçylygy çözmek üçin “duzda jemlenen elektrolit” düşünjesi hem işlenip düzüldi.Zarýad berilýän batareýalar üçin bu ýangyn söndüriji organiki elektrolitler, duz hökmünde LiN (SO2F) 2 we ýeke-täk çözüji hökmünde trimetil fosfatyň (TMP) meşhur ýangyn saklaýjysyny öz içine alýar.Anodda duzdan emele gelen organiki däl SEI-iň öz-özünden emele gelmegi durnukly elektrohimiki öndürijilik üçin möhümdir.Bu täze strategiýa, beýleki ýangyn saklaýjylara hem giňeldilip bilner we has ygtybarly LIB-ler üçin täze ýangyn saklaýjy erginleri döretmek üçin täze ýol açyp biler.
Lamanmaýan suwuk elektrolitler.Elektrolitleriň howpsuzlyk meseleleriniň gutarnykly çözgüdi, içerde ýanmaýan elektrolitleri ösdürmek bolar.Giňişleýin öwrenilen ýangyjy elektrolitleriň bir topary, ion däl suwuklyklar, esasanam otag temperaturasy ion suwuklyklary, ýakymsyz (200 ° C-den pes kesgitlenýän bug basyşy ýok) we ýanmaýan we giň temperatura penjiresi bolan ion suwuklyklarydyr.6F-nji surat).Şeýle-de bolsa, ýokary ýapyşyklylygy, Li geçişiniň pesligi, katodiki ýa-da reduktiw durnuksyzlygy we ion suwuklyklarynyň gymmatlygy sebäpli ýüze çykýan pes tizlikli ukyplylyk meselelerini çözmek üçin üznüksiz gözlegler zerurdyr.
Pes molekulaly agramly gidrofloroetrler, ýokary ýa-da ýoklugy, ýanmazlygy, ýerüsti dartgynlylygy, pes ýapyşyklygy, doňdurma temperaturasy we ş.m. sebäpli ýanmaýan suwuk elektrolitleriň başga bir toparydyr.Himiki aýratynlyklaryny batareýa elektrolitleriniň ölçeglerine laýyklaşdyrmak üçin dogry molekulýar dizaýn edilmeli.Recentlyaňy-ýakynda habar berlen gyzykly mysal, ýanmazlygy bilen meşhur bolan perflororly polietilen oksidi (PEO) analogy bolan “perfluoropolyether” (PFPE).6G surat).Iki sany metil karbonat topary, molekulalaryň häzirki batareýa ulgamlary bilen laýyklygyny üpjün etmek üçin PFPE zynjyrlarynyň (PFPE-DMC) terminal toparlarynda üýtgedilýär.Şeýlelik bilen, PFPE-leriň ýanmazlygy we ýylylyk durnuklylygy, üýtgeşik molekulýar gurluş dizaýny sebäpli elektrolitleriň geçiş sanyny köpeltmek bilen LIB-leriň howpsuzlygyny ep-esli ýokarlandyryp biler.
3-nji tapgyra, termiki gaçmak prosesi üçin iň soňky, ýöne aýratyn möhüm tapgyr.Döwrebap suwuk elektrolitleriň ýangyjyny azaltmak üçin uly tagallalaryň edilendigine garamazdan bellemeli zat, pese gaçmaýan gaty elektrolitleriň ulanylmagy uly wadany görkezýär.Gaty elektrolitler esasan iki kategoriýa bölünýär: organiki däl keramiki elektrolitler [sulfidler, oksidler, nitridler, fosfatlar we ş.m.] we gaty polimer elektrolitler [Li duzlarynyň polimerler bilen poli (etilen oksidi), poliakrilonitril we ş.m.).Gaty elektrolitleri gowulandyrmak baradaky tagallalar bu ýerde jikme-jik bolmaz, sebäbi bu mowzuk soňky birnäçe synda gowy jemlenendir.
GÖRNÜŞ
Geçmişde batareýanyň howpsuzlygyny ýokarlandyrmak üçin köp sanly täze material işlenip düzüldi, ýöne mesele entek doly çözülmedi.Mundan başga-da, dürli batareýa himiýasy üçin howpsuzlyk meseleleriniň esasy mehanizmleri üýtgeýär.Şeýlelik bilen, dürli batareýalar üçin ýörite materiallar dizaýn edilmelidir.Has täsirli usullaryň we oňat dizaýn edilen materiallaryň tapylmalydygyna ynanýarys.Bu ýerde, geljekde batareýanyň howpsuzlygyny öwrenmek üçin birnäçe ugurlary sanap geçýäris.
Ilki bilen, LIB-leriň içki saglyk ýagdaýlaryny ýüze çykarmak we gözegçilikde saklamak üçin situada ýa-da operando usullarynda ösmek möhümdir.Mysal üçin, termiki gaçmak prosesi LIB-leriň içindäki temperatura ýa-da basyşyň ýokarlanmagy bilen ýakyndan baglanyşyklydyr.Şeýle-de bolsa, batareýalaryň içindäki temperaturanyň paýlanyşy gaty çylşyrymly we elektrolitleriň we elektrodlaryň, şeýle hem bölüjileriň bahalaryna takyk gözegçilik etmek üçin usullar zerurdyr.Şeýlelik bilen, bu parametrleri dürli komponentler üçin ölçäp bilmek, batareýanyň howpsuzlygyna howp salmak we şonuň üçin öňüni almak üçin möhümdir.
Aýryjylaryň ýylylyk durnuklylygy batareýanyň howpsuzlygy üçin möhümdir.Highokary ereýän nokatlar bilen täze döredilen polimerler, bölüjiniň ýylylyk bitewiligini ýokarlandyrmakda täsirli.Şeýle-de bolsa, olaryň mehaniki aýratynlyklary henizem pes bolup, batareýany ýygnamak wagtynda işleýşini ep-esli peseldýär.Mundan başga-da, bahalar amaly goşundylar üçin göz öňünde tutulmaly möhüm faktor.
Gaty elektrolitleriň ösüşi LIB-leriň howpsuzlyk meseleleri üçin iň soňky çözgüt ýaly bolup görünýär.Gaty elektrolit, ýangyn we partlama töwekgelçiligi bilen birlikde batareýanyň içerki gysgalma mümkinçiligini ep-esli azaldar.Gaty elektrolitleriň ösmegine köp tagallalar edilse-de, olaryň öndürijiligi suwuk elektrolitlerden has yzda galmagyny dowam etdirýär.Organiki däl we polimer elektrolitleriň birleşmeleri uly potensialy görkezýär, ýöne näzik dizaýny we taýýarlygy talap edýär.Organiki däl polimer interfeýsleriniň dogry dizaýnynyň we olaryň deňleşdirilmeginiň in engineeringenerçiliginiň Li-iony netijeli daşamak üçin möhümdigini belläp geçýäris.
Suwuk elektrolitiň ýanýan batareýanyň diňe bir bölegi däldigini bellemelidiris.Mysal üçin, LIB-ler ýokary zarýad alanda, ýanýan litiý anod materiallary (mysal üçin, litiý grafit) hem uly howpsuzlyk meselesidir.Gaty ýagdaýdaky materiallaryň ýangynlaryny netijeli saklap bilýän ýangyn saklaýjylary, howpsuzlygyny ýokarlandyrmak üçin gaty talap edilýär.Ameangyn öçürijileri polimer baglaýjy ýa-da geçiriji çarçuwalar görnüşinde grafit bilen garylyp bilner.
Batareýanyň howpsuzlygy gaty çylşyrymly we çylşyrymly mesele.Batareýanyň howpsuzlygynyň geljegi, materiallaryň dizaýnyna ýol görkezmek üçin has giňişleýin häsiýetlendiriş usullaryna goşmaça has çuňňur düşünmek üçin düýpli mehaniki gözleglerde has köp tagalla etmegi talap edýär.Bu syn, materiallar derejesindäki howpsuzlyga ünsi jemlän hem bolsa, LIB-leriň howpsuzlyk meselesini çözmek üçin bitewi çemeleşmäniň zerurdygyny bellemelidiris, bu ýerde materiallar, öýjük komponentleri we formaty, batareýalaryň ygtybarly bolmagy üçin batareýa moduly we paketleri deň rol oýnaýar. bazara çykarylýar.
GEÇIRIŞLER WE BELLIKLER
Kai Liu, ayaýuan Liu, DingçangLin, Allen Pei, Yi Cui, litiý-ion batareýasynyň howpsuzlygy üçin materiallar, ScienceAdvances, DOI: 10.1126 / sciadv.aas9820
Iş wagty: Iýun-05-2021
