Abstrakt
Lithium-Ion Batterien (LIBs) ginn als ee vun de wichtegsten Energielagerungstechnologien ugesinn.Wéi d'Energiedicht vun de Batterien eropgeet, gëtt d'Batteriesécherheet nach méi kritesch wann d'Energie ongewollt fräigelooss gëtt.Accidenter am Zesummenhang mat Bränn an Explosiounen vun LIBs geschéien dacks weltwäit.E puer hunn sérieux Gefore fir d'Mënscheliewen a Gesondheet verursaacht an hunn zu ville Produkterënnerungen vun Hiersteller gefouert.Dës Tëschefäll sinn Erënnerungen datt d'Sécherheet eng Viraussetzung fir Batterien ass, a sérieux Themen musse geléist ginn ier déi zukünfteg Uwendung vun héich-Energie-Batteriesystemer.Dës Iwwerpréiwung zielt d'Grondlage vun den Urspronk vun de LIB Sécherheetsprobleemer ze resuméieren an de rezente Schlëssel Fortschrëtter am Materialdesign ze markéieren fir d'LIB Sécherheet ze verbesseren.Mir erwaarden datt dës Iwwerpréiwung eng weider Verbesserung vun der Batteriesécherheet inspiréiere wäert, besonnesch fir opkomende LIBs mat héijer Energiedicht.
D'ORIGINE VUN LIB SAFETY ISSUES
Den organesche flëssege Elektrolyt bannent LIBs ass intrinsesch brennbar.Ee vun de katastrophalste Feeler vun engem LIB System ass de kaskadéierende thermesche Runaway Event, deen als Haaptursaach vu Batteriesécherheetsbedéngungen ugesi gëtt.Allgemeng geschitt thermesch Flucht wann eng exothermesch Reaktioun ausser Kontroll geet.Wéi d'Temperatur vun der Batterie op iwwer ~80°C eropgeet, erhéicht den exothermesche chemesche Reaktiounsquote bannent de Batterien a erhëtzt d'Zelle weider, wat zu engem positive Feedback-Zyklus resultéiert.Déi kontinuéierlech steigend Temperaturen kënnen zu Bränn an Explosiounen féieren, besonnesch fir grouss Batteriepäck.Dofir kann d'Ursaachen an d'Prozesser vun der thermescher Flucht verstoen den Design vu funktionnelle Materialien guidéieren fir d'Sécherheet an d'Zouverlässegkeet vun de LIBs ze verbesseren.Den thermesche Fluchprozess kann an dräi Etappen opgedeelt ginn, wéi zesummegefaasst anFig. 1.
Fig. 1 Dräi Etappe fir den thermesche Lafprozess.
Etapp 1: Ufank vun Iwwerhëtzung.D'Batterien änneren vun engem normalen an en anormalen Zoustand, an déi intern Temperatur fänkt un erop.Etapp 2: Hëtzt Akkumulation a Gas Fräisetzung Prozess.Déi intern Temperatur klëmmt séier, an d'Batterie gëtt exothermesch Reaktiounen.Etapp 3: Verbrennung an Explosioun.De brennbare Elektrolyt verbrennt, wat zu Bränn a souguer Explosiounen féiert.
Den Ufank vun der Iwwerhëtzung (Etapp 1)
Thermesch Runaway fänkt un der Iwwerhëtzung vum Batteriesystem un.Déi initial Iwwerhëtzung kann optrieden als Resultat vun der Batterie iwwer d'entworf Spannung gelueden (Iwwerlaaschtung), Belaaschtung fir exzessiv Temperaturen, externe Kuerzschluss wéinst falschen Drot oder intern Kuerzschluss wéinst Zelldefekter.Ënner hinnen ass intern Kuerzung den Haaptgrond fir thermesch Flucht an ass relativ schwéier ze kontrolléieren.Interne Shorting ka geschéien an Ëmstänn vun Zellkraaftwierk wéi extern Metalldreckpenetratioun;Gefier Kollisioun;Lithium-Dendritbildung ënner héich Stroumdicht Laden, ënner Iwwerladungsbedéngungen oder bei niddregen Temperaturen;a fehlerhafte Separatoren erstallt während der Batteriemontage, fir e puer ze nennen.Zum Beispill, am Ufank Oktober 2013, huet en Tesla Auto bei Seattle op Metalldreck geschloen, déi d'Schëld an d'Batteriepack duerchbrach hunn.D'Debris hunn d'Polymer-Separatoren duerchgedrängt an d'Kathode an d'Anode direkt verbonnen, sou datt d'Batterie kierzlech a Feier fällt;am Joer 2016 sinn d'Samsung Note 7 Batteriebränn wéinst dem aggressiven ultradënnen Separator, dee liicht duerch Drock ausserhalb oder d'Schweißbraten op der positiver Elektrode beschiedegt gouf, wat d'Batterie kierzlech verursaacht.
Wärend der 1. Etapp ännert d'Batteriebetrib vun engem normalen an en anormalen Zoustand, an all déi uewe genannten Themen féieren d'Batterie iwwerhëtzt.Wann d'intern Temperatur ufänkt eropzegoen, schléisst d'Etapp 1 an d'Stage 2 fänkt un.
Wärmeakkumulatioun a Gasverëffentlechungsprozess (Stage 2)
Wéi d'Etapp 2 ufänkt, klëmmt d'intern Temperatur séier, an d'Batterie mécht déi folgend Reaktiounen (dës Reaktiounen geschéien net an der exakt gegebenen Uerdnung; e puer vun hinnen kënnen gläichzäiteg optrieden):
(1) Solid electrolyte interphase (SEI) Zersetzung duerch Iwwerhëtzung oder kierperlech Pénétratioun.D'SEI Schicht besteet haaptsächlech aus stabilen (wéi LiF a Li2CO3) a metastabile [wéi Polymere, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2, a ROLi] Komponenten.Wéi och ëmmer, déi metastabil Komponente kënnen exotherm bei ongeféier >90 ° C zersetzen, brennbar Gase a Sauerstoff entloossen.Huelt (CH2OCO2Li)2 als Beispill
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0,5O2
(2) Mat der Zersetzung vu SEI baut d'Temperatur op, an d'Lithiummetall oder interkaléiert Lithium an der Anode reagéiere mat den organeschen Léisungsmëttelen am Elektrolyt, entlooss brennbar Kuelewaasserstoffgase (Ethan, Methan, an anerer).Dëst ass eng exothermesch Reaktioun déi d'Temperatur weider eropdréit.
(3) WéiniT> ~130°C fänkt de Polyethylen (PE)/Polypropylen (PP) Separator ze schmëlzen, wat d'Situatioun weider verschlechtert an e Kuerzschluss tëscht der Kathode an der Anode verursaacht.
(4) Eventuell verursaacht d'Hëtzt d'Zersetzung vum Lithiummetalloxid-Kathodematerial a féiert zur Verëffentlechung vu Sauerstoff.Huelt LiCoO2 als e Beispill, deen ab ~ 180 ° C zerstéiert wéi follegt
Den Zerfall vun der Kathode ass och héich exotherm, wat d'Temperatur an den Drock weider erhéicht an als Resultat d'Reaktiounen weider beschleunegt.
Wärend der zweeter Stuf klëmmt d'Temperatur a Sauerstoff accumuléiert bannent Batterien.Den thermesche Runaway-Prozess geet vun der Etapp 2 bis op Etapp 3 weider soubal genuch Sauerstoff an Hëtzt fir d'Batterieverbrennung accumuléiert sinn.
Verbrennung an Explosioun (Etapp 3)
Op der 3. Stuf fänkt d'Verbrennung un.D'Elektrolyte vu LIBs sinn organesch, déi bal universell Kombinatioune vu zykleschen a linearen Alkylkarbonaten sinn.Si hunn héich Volatilitéit a sinn intrinsesch héich brennbar.Huelt de populär benotzte Karbonatelektrolyt [d'Mëschung aus Ethylenkarbonat (EC) + Dimethylkarbonat (DMC) (1:1 no Gewiicht)] als Beispill, weist et en Dampdrock vu 4,8 kPa bei Raumtemperatur an en extrem nidderegen Flashpunkt. vun 25° ± 1°C bei engem Loftdrock vun 1,013 bar .De fräigeloossene Sauerstoff an d'Hëtzt an der 2. Stuf stellen déi erfuerderlech Bedéngungen fir d'Verbrennung vun brennbaren organeschen Elektrolyte zur Verfügung, wat doduerch Feier- oder Explosiounsgefore verursaacht.
An de Stufen 2 an 3 geschéien déi exotherm Reaktiounen ënner bal adiabatesche Bedéngungen.Also ass beschleunegt Rate Kalorimetrie (ARC) eng wäit benotzt Technik déi d'Ëmwelt an de LIBs simuléiert, wat eist Verständnis vun der thermescher Fluchreaktiounskinetik erliichtert.Figur 2weist eng typesch ARC Curve vun enger LIB opgeholl wärend den thermesche Mëssbrauchstester.D'Simulatioun vun der Temperaturerhéijung an der Etapp 2, eng extern Hëtztquell erhéicht d'Batterietemperatur op d'Starttemperatur.Iwwer dës Temperatur zerstéiert de SEI, wat méi exothermesch chemesch Reaktiounen ausléist.Schlussendlech wäert de Separator schmëlzen.D'Selbstheizungsquote wäert duerno eropgoen, wat zu thermesche Flucht féiert (wann d'Selbstheizungsquote > 10 ° C / min ass) an Elektrolytverbrennung (Stage 3).
D'Anode ass Mesocarbon Mikrobead Graphit.D'Kathode ass LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.Den Elektrolyt ass 1,2 M LiPF6 an EC/PC/DMC.E Celgard 2325 Trilayer Separator gouf benotzt.Adaptéiert mat Erlaabnis vun Electrochemical Society Inc.
Et sollt bemierkt datt d'Reaktiounen hei uewen illustréiert net strikt een nom aneren an der bestëmmter Uerdnung geschéien.Et sinn éischter komplex a systematesch Themen.
MATERIALEN MAT VERBETERTE BATTERIESÉCHERHEIT
Baséierend op dem Verständnis vun der Batterie thermesch Runaway, gi vill Approche studéiert, mam Zil d'Sécherheetsrisiken duerch de rationalen Design vun de Batteriekomponenten ze reduzéieren.An de folgende Sektioune resüméiere mir verschidde Materialien Approche fir d'Batteriesécherheet ze verbesseren, d'Problemer ze léisen entspriechend verschiddenen thermesche Lafstadien.
Fir d'Problemer an der Etapp 1 ze léisen (den Ufank vun der Iwwerhëtzung)
Zuverlässeg Anoden Materialien.D'Li-Dendritbildung op der Anode vum LIB initiéiert déi éischt Stuf vum thermesche Laf.Och wann dëst Thema an den Anoden vu kommerziellen LIBs (zum Beispill carbonaceous Anoden) erliichtert gouf, ass d'Li-Dendritbildung net ganz hemmt.Zum Beispill, a kommerziellen LIBs, geschitt Dendritablagerung preferentiell op Grafitelektrodekanten wann d'Aoden an d'Katoden net gutt gepaart sinn.Zousätzlech kënnen déi falsch Operatiounsbedingunge vun de LIBs och zu Li Metal Oflagerung mat Dendritwachstum féieren.Et ass bekannt datt Dendrit einfach geformt ka ginn wann d'Batterie gelueden ass (i) bei héije Stroumdichten, wou d'Oflagerung vu Li-Metall méi séier ass wéi d'Diffusioun vu Li-Ionen am Bulk-Grafit;(ii) ënner Iwwerlaaschtungsbedéngungen wann d'Graphit iwwerlithiéiert ass;an (iii) bei niddregen Temperaturen [zum Beispill subambient Temperatur (~ 0 ° C)], wéinst der verstäerkter Viskositéit vum flëssege Elektrolyt an der verstäerkter Li-Ion Diffusiounsresistenz.
Aus der Siicht vun de Materialeigenschaften ass d'Wurzelursprung, déi den Ufank vum Li-Dendrit-Wuestum op der Anode bestëmmt, den onbestännegen an onuniformen SEI, deen ongläiche lokal Stroumverdeelung verursaacht.Elektrolytkomponenten, besonnesch Zousatzstoffer, goufen ënnersicht fir d'SEI Uniformitéit ze verbesseren an d'Li-Dendritbildung ze eliminéieren.Typesch Zousatzstoffer enthalen anorganesch Verbindungen [zum Beispill CO2, LiI, etc.] an organesch Verbindungen, déi onsaturéiert Kuelestoffbindungen enthalen wéi Vinylenkarbonat a Maleimidadditive;onbestänneg zyklesch Moleküle wéi Butyrolakton, Ethylensulfit an hir Derivate;a fluoréierte Verbindungen wéi Fluorethylenkarbonat, ënner anerem.Och um Deel-pro-Milliounen Niveau kënnen dës Moleküle nach ëmmer d'SEI Morphologie verbesseren, sou datt de Li-Ion Flux homogeniséiert an d'Méiglechkeet vu Li-Dendritbildung eliminéiert.
Insgesamt sinn d'Li Dendrit Erausfuerderunge nach ëmmer a Graphit oder Kuelestoff Anoden a Silizium / SiO enthalen déi nächst Generatioun Anoden.D'Léisung vum Problem vum Li-Dendritwachstum ass eng Erausfuerderung déi kritesch ass fir d'Adaptatioun vu Li-Ion-Chemie mat héijer Energiedicht an der nächster Zukunft.Et sollt bemierkt datt, viru kuerzem, bedeitend Efforte gewidmet sinn fir d'Thema vun der Li-Dendritbildung a pure Li-Metallanode ze léisen andeems de Li-Ion-Flux während der Li-Depositioun homogeniséiert gëtt;zum Beispill Schutzschichtbeschichtung, kënschtlech SEI-Ingenieur, etc.. An dësem Aspekt kéinten e puer vun de Methoden méiglecherweis d'Liicht werfen wéi d'Thema op Kuelestoffanoden och an LIBs unzegoen.
Multifunktionell flësseg Elektrolyte a Separatoren.De flëssege Elektrolyt an de Separator spillen Schlësselrollen bei der kierperlecher Trennung vun der Héich-Energie-Kathode an der Anode.Also, gutt entworf multifunktionell Elektrolyte a Separatoren kënnen d'Batterien an der fréicher Etapp vun der Batterie thermesch Runaway (Etapp 1) wesentlech schützen.
Fir d'Batterien vu mechanesche Krach ze schützen, gouf e Schéierverdickungsflësseg Elektrolyt kritt duerch d'einfach Zousatz vu fuméiertem Silika zu Karbonatelektrolyt (1 M LiFP6 an EC/DMC).Beim mechanesche Drock oder Auswierkunge weist d'Flëssegkeet e Schéier-Verdickungseffekt mat enger Erhéijung vun der Viskositéit, dofir dissipéiert d'Schlagenergie a weist Toleranz géint Zerstéierung (Abb. 3A)
Fig. 3 Strategien fir d'Problemer an der Etapp 1 ze léisen.
(A) Schéier thickening electrolyte.Top: Fir normal electrolyte, mechanesch Impakt kann Batterie intern shorting Féierung, Ursaach Bränn an Explosiounen.Ënnen: De Roman Smart Elektrolyt mat Schéier Verdickungseffekt ënner Drock oder Impakt weist eng exzellent Toleranz fir d'Kräizung, wat d'mechanesch Sécherheet vun de Batterien wesentlech kéint verbesseren.(B) Bifunktionell Separatoren fir fréi Detektioun vu Lithiumdendriten.Dendritbildung an enger traditioneller Lithium-Batterie, wou komplett Pénétratioun vum Separator duerch e Lithium-Dendrit nëmme festgestallt gëtt, wann d'Batterie ausfällt wéinst enger interner Kuerzschluss.Am Verglach, eng Lithium Batterie mat engem bifunktionnellen Separator (besteet aus enger Leedungsschicht, déi tëscht zwee konventionelle Separatoren ageklemmt ass), wou den iwwerwuessene Lithium Dendrit an de Separator penetréiert a Kontakt mat der Leedend Kupferschicht mécht, wat zu engem Réckgang anVCu−Li, deen als Warnung fir bevirsteet Ausfall wéinst enger interner Kuerzschluss déngt.Wéi och ëmmer, déi voll Batterie bleift sécher operationell mat net null Potenzial.(A) an (B) sinn adaptéiert oder reproduzéiert mat Erlaabnis vun Springer Nature.(C) Trilayer Separator fir geféierlech Li-Dendriten ze konsuméieren an d'Batteriedauer ze verlängeren.Lénks: Lithium Anoden kënne ganz einfach dendritesch Oflagerungen bilden, déi lues a lues méi grouss kënne ginn an den inert Polymer Separator penetréieren.Wann d'Dendriten endlech d'Kathode an d'Anode verbannen, ass d'Batterie kuerzverschlësselt a feelt.Riets: Eng Schicht vu Silica Nanopartikel gouf vun zwou Schichten vu kommerziellen Polymer Separatoren sandwichéiert.Dofir, wann Lithium Dendrite wuessen an an de Separator penetréieren, kontaktéiere se d'Silika Nanopartikelen an der sandwichéierter Schicht a ginn elektrochemesch verbraucht.(D) Scannen Elektronenmikroskopie (SEM) Bild vum Silica Nanopartikel Sandwich Separator.(E) Typesch Spannung versus Zäitprofil vun enger Li / Li Batterie mat engem konventionellen Separator (rout Curve) an dem Silica Nanopartikel Sandwich Trilayer Separator (schwaarz Curve) getest ënner de selwechte Konditiounen.(C), (D), an (E) gi mat Erlaabnis vum John Wiley a Sons reproduzéiert.(F) Schematesch Illustratioun vun de Mechanismen vun den Redox Shuttle Additive.Op enger iwwerlaaschter Kathodeoberfläche gëtt de Redoxadditiv op d'Form [O] oxidéiert, déi duerno duerch Diffusioun duerch den Elektrolyt zu hiren ursprénglechen Zoustand [R] op der Uewerfläch vun der Anode zréck reduzéiert ginn.Den elektrochemeschen Zyklus vun der Oxidatioun-Diffusioun-Reduktioun-Diffusioun kann onbestëmmt erhale bleiwen an doduerch d'Kathodepotenzial vu geféierlecher Iwwerladung gespaart.(G) Typesch chemesch Strukture vun de Redox Shuttle Additive.(H) Mechanismus vun der shutdown overcharge Zousätz datt electrochemically op héich Potenzialer polymerize kann.(I) Typesch chemesch Strukture vun der shutdown overcharge Zousätz.D'Aarbechtspotentialer vun den Zousatzstoffer ginn ënner all molekulare Struktur an (G), (H) an (I) opgelëscht.
Separatoren kënnen d'Kathode an d'Anode elektronesch isoléieren an eng wichteg Roll spillen an der Iwwerwaachung vum Gesondheetszoustand vun enger Batterie in situ fir weider Verschlechterung virun der Stuf 1 ze verhënneren.Abb. 3B) kann eng nei Spannungssensorfunktioun ubidden.Wann en Dendrit wuessen an d'Zwëschenschicht erreecht, verbënnt et d'Metallschicht an d'Anode sou datt e plötzleche Spannungsfall tëscht hinnen direkt als Ausgang erkannt ka ginn.
Nieft der Detektioun gouf en Dräi-Schicht-Separator entwéckelt fir déi geféierlech Li-Dendriten ze konsuméieren an hire Wuesstum ze bremsen nodeems se an de Separator penetréieren.Eng Schicht vu Silica Nanopartikel, gesandwicht vun zwou Schichten vu kommerziellen Polyolefin-Separatoren (Fig. 3, C an D), kënnen all penetréierend geféierlech Li-Dendriten konsuméieren, sou datt d'Batteriesécherheet effizient verbessert gëtt.D'Liewensdauer vun der geschützter Batterie gouf wesentlech ëm ongeféier fënnef Mol verlängert am Verglach mat deem mat konventionelle Separatoren (Abb. 3E).
Iwwerbelaaschtungsschutz.Iwwerladung ass definéiert als Laden vun enger Batterie iwwer seng konzipéiert Spannung.Overcharging kéint duerch héich spezifesch aktuell Dicht ausgeléist ginn, aggressiv Opluedstatiounen Profiler, etc., déi iwwer eng Rei vu Problemer bréngen kann, dorënner (ech) Oflagerung vun Li Metal op der Anode, déi eescht der Batterie electrochemical Leeschtung a Sécherheet Afloss;(ii) Zersetzung vum Kathodematerial, Sauerstoff entlooss;an (iii) Zersetzung vun der organescher Elektrolyt, Fräisetzung Hëtzt a Gas Produiten (H2, Kuelewaasserstoff, CO, etc.), déi responsabel sinn fir thermesch Laf.Déi elektrochemesch Reaktiounen wärend der Zersetzung si komplizéiert, e puer vun deenen sinn hei ënnen opgezielt.
D'Asterisk (*) beweist datt de Waasserstoffgas aus der protescher Hierkonft entstinn, a verloosse Gruppen, déi während der Oxidatioun vu Karbonaten an der Kathode generéiert ginn, déi dann an d'Anode diffuséieren fir ze reduzéieren an H2 ze generéieren.
Op Basis vun den Differenzen an hire Funktiounen kënnen d'Overcharge-Schutz-Additive als Redox-Shuttle-Additive a Shutdown-Additive klasséiert ginn.Déi fréier schützt d'Zelle vun der Iwwerbelaaschtung reversibel, während déi lescht d'Zellbetrieb permanent ofschléisst.
Redox Shuttle Additive funktionnéieren andeems se d'iwwerschësseg Ladung, déi an d'Batterie injizéiert gëtt, elektrochemesch shuntéieren wann iwwerlaascht ass.Wéi gewisen anAbb. 3F, de Mechanismus baséiert op engem Redox-Additiv, deen en Oxidatiounspotenzial liicht méi niddereg huet wéi dee vun der Elektrolyt-anodescher Zersetzung.Op enger iwwerlaaschter Kathodeoberfläche gëtt de Redoxadditiv zu der Form [O] oxidéiert, déi duerno no der Diffusioun duerch den Elektrolyt zréck an säin ursprénglechen Zoustand [R] op der Uewerfläch vun der Anode reduzéiert ginn.Duerno kann de reduzéierten Additiv zréck an d'Kathode diffusen, an den elektrochemeschen Zyklus vun der "Oxidatioun-Diffusioun-Reduktioun-Diffusioun" kann onbestëmmt erhale bleiwen an doduerch d'Kathodepotenzial vu weider geféierlechen Iwwerlaaschtung gespaart.Studien hu gewisen datt d'Redoxpotential vun den Zousatzstoffer ongeféier 0,3 bis 0,4 V iwwer dem Potenzial vun der Kathode sollt sinn.
Eng Serie vun Zousätz mat gutt ugepasste chemesche Strukturen a Redoxpotentialer goufen entwéckelt, dorënner organometallesch Metallocenen, Phenothiazinen, Triphenylaminen, Dimethoxybenzenen an hir Derivate, an 2-(pentafluorphenyl)-tetrafluoro-1,3,2-benzodioxaborol (Abb. 3G).Andeems se molekulare Strukturen ugepasst sinn, kënnen d'additiv Oxidatiounspotentialer op iwwer 4 V ofgestëmmt ginn, wat gëeegent ass fir déi séier entwéckelend Héichspannungskathodematerial an Elektrolyte.De Basis Designprinzip beinhalt d'Senkung vun der héchster besat molekulare Ëmlafbunn vum Additiv mat Hëllef vun Elektronen zréckzéien Ersatzspiller, wat zu enger Erhéijung vum Oxidatiounspotenzial féiert.Nieft organeschen Zousätz, e puer anorganesch Salzer, déi net nëmmen als Elektrolytsalz funktionéiere kënnen, awer och als Redox-Shuttle kënnen déngen, wéi z.xH12-x)], sinn och als effizient Redox-Shuttle-Additive fonnt ginn.
Shutdown Iwwerladungsadditive sinn eng Klass vun irreversibelen Iwwerlaaschtungsadditive.Si funktionnéieren entweder andeems se Gas bei héije Potenzialer befreien, wat am Tour en aktuellen Ënnerbriechungsapparat aktivéiert, oder duerch permanent elektrochemesch Polymeriséierung bei héije Potenzialer fir d'Batterieoperatioun ofzeschléissen ier katastrophal Resultater optrieden (Abb. 3H).Beispiller vun deene fréiere enthalen Xylen, Cyclohexylbenzen, a Biphenyl, wärend Beispiller vun der leschter enthalen Biphenyl an aner substituéiert aromatesch Verbindungen (Abb. 3I).Déi negativ Auswierkunge vun Ofschlossadditive sinn nach ëmmer déi laangfristeg Operatioun an d'Späicherleistung vun de LIBs wéinst der irreversibeler Oxidatioun vun dëse Verbindungen.
Fir d'Problemer an der Stuf 2 ze léisen (Wärmeakkumulatioun a Gasverëffentlechungsprozess)
Zuverlässeg Kathodematerial.Lithium Iwwergangsmetalloxiden, wéi Schichtenoxiden LiCoO2, LiNiO2, a LiMnO2;de Spinel-Typ Oxid LiM2O4;an der polyanion Typ LiFePO4, sinn populär cathode Materialien benotzt, déi awer Sécherheet Problemer virun allem bei héijen Temperaturen.Dorënner ass den olivinstrukturéierte LiFePO4 relativ sécher, wat bis zu 400 ° C stabil ass, während LiCoO2 bei 250 ° C zersetzt.De Grond fir déi verbessert Sécherheet vu LiFePO4 ass datt all Sauerstoffione staark kovalent Bindunge mat P5+ bilden fir d'PO43− tetrahedral Polyanionen ze bilden, déi de ganzen dreidimensionalen Kader stabiliséieren an eng verbessert Stabilitéit am Verglach mat anere Kathodematerialien ubidden, obwuel et nach ëmmer goufen e puer Batterie Feier Accidenter gemellt.Déi grouss Sécherheetsbesuergung entsteet aus der Zersetzung vun dëse Kathodematerialien bei erhéigen Temperaturen an der simultaner Sauerstoffverëffentlechung, déi zesummen zu Verbrennung an Explosiounen féieren, eescht d'Batteriesécherheet kompromittéieren.Zum Beispill ass d'Kristallstruktur vum schichten Oxid LiNiO2 onbestänneg wéinst der Existenz vun Ni2+, där d'ionesch Gréisst ähnlech wéi déi vu Li+ ass.Déi delithiéiert LixNiO2 (x< 1) tendéiert zu enger méi stabiler Spinel-Typ Phase LiNi2O4 (Spinel) a Fielssalz-Typ NiO ëmzewandelen, mat Sauerstoff an flëssege Elektrolyt bei ongeféier 200 ° C fräigelooss, wat zu Elektrolytverbrennung féiert.
Bedeitend Efforte goufen gemaach fir d'thermesch Stabilitéit vun dëse Kathodematerialien duerch Atomdoping an Uewerflächeschutzbeschichtungen ze verbesseren.
Atom Doping kann d'thermesch Stabilitéit vun de Schichtenoxidmaterialien wesentlech erhéijen duerch déi resultéierend stabiliséiert Kristallstrukturen.D'thermesch Stabilitéit vu LiNiO2 oder Li1.05Mn1.95O4 ka wesentlech verbessert ginn duerch partiell Ersatz vun Ni oder Mn mat anere Metallkationen, wéi Co, Mn, Mg, an Al.Fir LiCoO2 kann d'Aféierung vun Doping- a Legierungselementer wéi Ni a Mn d'Zersetzungstemperatur drastesch erhéijenTDezember, wärend och Reaktiounen mat Elektrolyt bei héijen Temperaturen vermeiden.Wéi och ëmmer, Erhéijunge vun der thermescher Kathodestabilitéit am Allgemengen kommen mat Opfer a spezifescher Kapazitéit.Fir dëse Problem ze léisen, gouf e Konzentratiounsgradient-Kathodematerial fir nofëllbar Lithium-Batterien op Basis vun engem Schichten Lithium-Néckel-Kobalt-Mangan-Oxid entwéckelt (Abb. 4A).An dësem Material huet all Partikel e Ni-räichen zentrale Bulk an eng Mn-räich Bausseschicht, mat erofgaang Ni Konzentratioun an Erhéijung vun Mn a Co Konzentratioune wéi d'Uewerfläch ugeet (Abb. 4B).Déi fréier bitt héich Kapazitéit, wärend déi lescht d'thermesch Stabilitéit verbessert.Dëst neit Kathodematerial gouf gewisen fir d'Sécherheet vun de Batterien ze verbesseren ouni hir elektrochemesch Leeschtung ze kompromittéieren (Abb. 4C).
Fig. 4 Strategien fir d'Problemer an der Etapp ze léisen 2: zouverlässeg Kathoden.
(A) Schematesch Diagramm vun engem positiven Elektrodenpartikel mat engem Ni-räiche Kär ëmgi vun enger Konzentratiounsgradient baussenzeger Schicht.All Partikel huet en Ni-räiche zentrale Bulk Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 an eng Mn-räich Bausseschicht [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] mat erofgaang Ni Konzentratioun an Erhéijung vun Mn a Co Konzentratioune wéi d'Uewerfläch ukomm ass.Dee fréiere bitt héich Kapazitéit, wärend déi lescht d'thermesch Stabilitéit verbessert.Déi duerchschnëttlech Zesummesetzung ass Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.E Scannen Elektronenmikrograph vun engem typesche Partikel gëtt och op der rietser Säit gewisen.(B) Elektronensonde Röntgenmikroanalyseresultater vum finalen lithiéierten Oxid Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18) O2.Déi graduell Konzentratiounsännerunge vun Ni, Mn, a Co an der Tëschenschicht sinn evident.D'Ni Konzentratioun fällt erof, an d'Co a Mn Konzentratioune ginn op d'Uewerfläch erop.(C) Differential Scanning Kalorimetrie (DSC) Spure weisen Wärmestroum aus der Reaktioun vum Elektrolyt mat Konzentratiounsgradientmaterial Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18) O2, dem Ni-räichen Zentralmaterial Li (Ni0.8Co0.1Mn0). 1) O2, an déi Mn-räich Bausseschicht [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].D'Materialien goufen gelueden 4,3 V. (A), (B) an (C) gi mat Erlaabnis vun Springer Natur reproduzéiert.(D) Lénks: Transmission Elektronenmikroskopie (TEM) hellfeld Bild vum AlPO4 Nanopartikel-beschichtete LiCoO2;Energie dispersive Röntgenspektrometrie bestätegt d'Al a P Komponenten an der Beschichtungsschicht.Riets: Héichopléisende TEM Bild weist d'AlPO4 Nanopartikel (~ 3 nm Duerchmiesser) an der Nanoskala Beschichtungsschicht;d'Pfeile weisen d'Interface tëscht der AlPO4 Schicht an der LiCoO2 un.(E) Lénks: E Bild vun enger Zell mat enger bloer LiCoO2 Kathode no der 12-V Iwwerladungstest.D'Zell huet verbrannt an explodéiert bei där Spannung.Riets: E Bild vun enger Zell déi den AlPO4 Nanopartikel-beschichtete LiCoO2 enthält nom 12-V Iwwerladungstest.(D) an (E) gi mat Erlaabnis vum John Wiley a Sons reproduzéiert.
Eng aner Strategie fir d'thermesch Stabilitéit ze verbesseren ass d'Kathodematerial mat enger schützender dënnter Schicht vun thermesch stabile Li+-Leederverbindungen ze beschichten, wat den direkte Kontakt vu Kathodematerialien mat Elektrolyt verhënnere kann an doduerch Säitreaktiounen an Hëtztgeneratioun reduzéieren.D'Beschichtungen kënnen entweder anorganesch Filmer sinn [zum Beispill ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3, etc.], déi Li-Ionen kënne féieren nodeems se lithiéiert sinn (Fig. 4, D an E), oder organesch Filmer, wéi Poly(diallyldimethylammoniumchlorid), Schutzfilmer geformt duerch γ-Butyrolactone-Additive, a Multikomponentadditive (bestehend aus Vinylenkarbonat, 1,3-Propylensulfit, an Dimethylacetamid).
Eng Beschichtung mat engem positiven Temperaturkoeffizient aféieren ass och effektiv fir d'Kathodesécherheet ze erhéijen.Zum Beispill, poly(3-Decylthiophene)-beschichtete LiCoO2-Kathoden kënnen elektrochemesch Reaktiounen a Säitreaktiounen ausschalten wann d'Temperatur bis >80 °C eropgeet, well déi konduktiv Polymerschicht séier an en héichresistive Staat transforméiere kann.Beschichtungen vu selbstbegrenzte Oligomere mat hyperverzweigerten Architektur kënnen och als thermesch reaktiounsfäeg Blockéierungsschicht funktionnéieren fir d'Batterie vun der Kathodesäit auszeschalten.
Thermesch schaltbar Stroumkollektor.Ausschaltung vun elektrochemesche Reaktiounen wärend der Batterietemperaturerhéijung op der 2. Stuf kann effizient verhënneren datt d'Temperatur weider eropgeet.E séieren an reversibelen thermoresponsive Polymer Schalter (TRPS) gouf intern an den aktuellen Sammler agebaut (Abb. 5A).Den TRPS dënnen Film besteet aus konduktiv grafen-beschichtete spiky nanostrukturéierten Nickel (GrNi) Partikelen als konduktiv Filler an enger PE Matrix mat engem groussen thermesche Expansiounskoeffizient (α ~ 10−4 K−1).Déi als fabrizéiert Polymer Komposit Filmer weisen héich Konduktivitéit (σ) bei Raumtemperatur, awer wann d'Temperatur d'Schalttemperatur ugeet (Ts), fällt d'Konduktivitéit bannent 1 s ëm siwe bis aacht Gréisstenorden als Resultat vun der Polymervolumenexpansioun erof, wat d'leitend Partikel trennt an d'Konduktivbunnen brécht (Abb. 5B).De Film gëtt direkt isoléierend an hält domat d'Batteriebetrieb of (Abb. 5C).Dëse Prozess ass héich reversibel a kann och no multiple Iwwerhëtzungsevenementer funktionnéieren ouni d'Leeschtung ze kompromittéieren.
Fig. 5 Strategien fir d'Problemer an der Etapp 2 ze léisen.
(A) Schematesch Illustratioun vum thermesche Schaltmechanismus vum TRPS Stroumkollektor.Déi sécher Batterie huet een oder zwee Stroumkollektoren déi mat enger dënnter TRPS Schicht beschichtet sinn.Et funktionnéiert normalerweis bei Raumtemperatur.Wéi och ëmmer, am Fall vun héijer Temperatur oder grousse Stroum, erweidert d'Polymer Matrix, sou datt déi konduktiv Partikelen trennen, wat seng Konduktivitéit erofsetzen kann, seng Resistenz staark erhéijen an d'Batterie ausschalten.D'Batteriestruktur kann also ouni Schued geschützt ginn.Beim Ofkillen schrumpft de Polymer a kritt déi ursprénglech konduktiv Weeër.(B) Resistivitéitsännerunge vu verschiddene TRPS Filmer als Funktioun vun der Temperatur, dorënner PE / GrNi mat verschiddene GrNi Belaaschtungen a PP / GrNi mat enger 30% (v / v) Belaaschtung vu GrNi.(C) Kapazitéit Zesummefaassung vun der sécherer LiCoO2 Batterie Cycling tëscht 25 ° C an Ausschalten.Déi bal Null Kapazitéit bei 70 ° C weist voll Ausschaltung un.(A), (B) an (C) gi mat der Erlaabnes vun der Springer Nature reproduzéiert.(D) Schematesch Representatioun vun microsphere-baséiert shutdown Konzept fir LIBs.Elektroden si funktionaliséiert mat thermoresponsive Mikrokugelen, déi iwwer eng kritesch intern Batterietemperatur en thermeschen Iwwergang (Schmelz) erliewen.Déi geschmollte Kapselen bezéien d'Elektrodenoberfläche, bilden eng ionesch isoléierend Barrière an schloen d'Batteriezelle aus.(E) Eng dënn an selbststänneg anorganesch Komposit Membran besteet aus 94% Aluminiumoxidpartikelen a 6% Styren-Butadien Gummi (SBR) Bindemittel gouf vun enger Léisungsgussmethod virbereet.Riets: Fotoen déi d'thermesch Stabilitéit vum anorganesche Komposit-Separator an dem PE-Separator weisen.D'Separatoren goufen op 130 ° C fir 40 min gehal.D'PE ass wesentlech aus dem Gebitt mat dem gestippte Quadrat gekräizt.Wéi och ëmmer, de Composite-Separator huet keng offensichtlech Schrumpfung gewisen.Reproduzéiert mat Erlaabnis vum Elsevier.(F) Molekulare Struktur vun e puer héich-Schmelze Temperatur polymers als separator Material mat niddereg héich-Temperatur verrëngeren.Top: Polyimid (PI).Mëtt: cellulose.Ënnen: Poly(butylen)terephthalat.(G) Lénks: Verglach vun der DSC Spektrum vun der PI mat der PE an PP Separator;de PI-Separator weist exzellent thermesch Stabilitéit am Temperaturberäich vun 30° bis 275°C.Riets: Digital Kamera Fotoen déi d'Befeuchtbarkeet vun engem kommerziellen Separator an dem as-synthetiséierte PI Separator mat engem Propylenkarbonat Elektrolyt vergläichen.Reproduzéiert mat Erlaabnis vun der American Chemical Society.
Thermesch Ausschalter Separatoren.Eng aner Strategie fir d'Batterien aus der thermescher Flucht während der Etapp 2 ze vermeiden ass d'Leedungswee vu Li-Ionen duerch de Separator auszeschalten.Separatoren si Schlësselkomponente fir d'Sécherheet vu LIBs, well se en direkten elektresche Kontakt tëscht der Héich-Energie-Kathode an der Anodematerial verhënnere wärend ioneschen Transport erlaabt.PP a PE sinn déi meescht benotzt Materialien, awer si hunn eng schlecht thermesch Stabilitéit, mat Schmelzpunkte vu ~165° respektiv ~135°C.Fir kommerziell LIB, separators mat enger PP / PE / PP Trilayer Struktur schonn kommerzialiséiert ginn, wou PE engem Schutzmoossnamen Mëttelschicht ass.Wann d'intern Temperatur vun der Batterie iwwer eng kritesch Temperatur eropgeet (~ 130 ° C), schmëlzt d'porös PE Schicht deelweis, schmëlzt d'Filmporen a verhënnert d'Migratioun vun Ionen am flëssege Elektrolyt, während d'PP Schicht mechanesch Ënnerstëtzung bitt fir intern ze vermeiden. kuerzen .Alternativ kann thermesch induzéiert Ausschaltung vum LIB och erreecht ginn andeems Dir thermoreaktiounsfäeg PE oder Paraffinwachs Mikrokugelen als Schutzschicht vun de Batterianoden oder Separatoren benotzt.Wann d'intern Batterietemperatur e kritesche Wäert erreecht, schmëlzen d'Mikrosphären a beschichten d'Anode / Separator mat enger net-permeabeler Barrière, stoppt den Li-Iontransport an stoppt d'Zelle permanent (Abb. 5D).
Separatoren mat héijer thermescher Stabilitéit.Fir d'thermesch Stabilitéit vun de Batterie-Separatoren ze verbesseren, goufen zwou Approchen an de leschte Joren entwéckelt:
(1) Keramik-verstäerkte Separatoren, fabrizéiert entweder duerch direkt Beschichtung oder op der Uewerfläch vu Keramikschichten wéi SiO2 an Al2O3 op existéierende Polyolefin-Separatorflächen oder duerch Keramikpuder, déi an de polymere Materialien agebonne sinn (Abb. 5E), weisen ganz héich Schmelzpunkten an héich mechanesch Kraaft an hunn och relativ héich thermesch Leit.E puer Komposit Separatoren, déi duerch dës Strategie fabrizéiert goufen, goufen kommerzialiséiert, sou wéi Separion (en Handelsnumm).
(2) Ännere vun de Separatormaterialien vu Polyolefin op Polymere mat héije Schmelztemperatur mat gerénger Schrumpfung bei der Heizung, wéi Polyimid, Cellulose, Poly(butylen)terephthalat, an aner analog Poly(Ester), ass eng aner effektiv Strategie fir d'thermesch Stabilitéit ze verbesseren vun Separatoren (Abb. 5F).Zum Beispill ass Polyimid en thermohärtende Polymer, deen allgemeng als villverspriechend Alternativ ugesi gëtt wéinst senger exzellenter thermescher Stabilitéit (stabil iwwer 400 ° C), gudder chemescher Resistenz, héijer Spannkraaft, gudder Elektrolytbefeuchtbarkeet, a Flammeschutz.Abb. 5G).
Batterie Packagen mat Ofkillungsfunktioun.Apparat-Skala thermesch Gestioun Systemer aktivéiert duerch Circulatioun vun Loft oder Flëssegket Ofkillung goufen benotzt Batterie Leeschtung ze verbesseren an Temperatur Erhéijunge verlangsamen.Zousätzlech sinn Phase-Verännerungsmaterialien wéi Paraffinwachs an Batteriepäck integréiert ginn fir als Wärmebecher ze handelen fir hir Temperatur ze reguléieren, dofir Temperaturmëssbrauch ze vermeiden.
Fir d'Problemer an der Etapp 3 ze léisen (Verbrennung an Explosioun)
Hëtzt, Sauerstoff a Brennstoff, bekannt als "Feierdräieck", sinn déi néideg Zutaten fir déi meescht Bränn.Mat der Akkumulation vun Hëtzt a Sauerstoff, déi an de Stufen 1 an 2 generéiert gëtt, fänkt de Brennstoff (dat ass héich brennbar Elektrolyte) automatesch un ze brennen.D'Reduktioun vun der Brennbarkeet vun den Elektrolytléisungsmëttelen ass vital fir Batteriesécherheet a weider grouss Skala Uwendungen vun LIBs.
Flam-retardant Zousätz.Enorm Fuerschungsefforte goufe fir d'Entwécklung vu Flam-retardant Additive gewidmet fir d'Entzündbarkeet vu flëssege Elektrolyte ze senken.Déi meescht vun de Flam-retardant Zousatzstoffer, déi a flëssege Elektrolyte benotzt ginn, baséieren op organesche Phosphorverbindungen oder organesch halogenéierte Verbindungen.Well Halogene geféierlech fir d'Ëmwelt an d'mënschlech Gesondheet sinn, sinn déi organesch Phosphorverbindunge méi villverspriechend Kandidaten als Flam-retardant Additive wéinst hirer héijer Flam-retardéierend Fäegkeet an Ëmweltfrëndlechkeet.Typesch organesch Phosphorverbindunge enthalen Trimethylphosphat, Triphenylphosphat, Bis(2-Methoxyethoxy)methylallylphosphonat, Tris(2,2,2-Trifluorethyl)phosphit, (Ethoxy)pentafluorcyclotriphosphazen, Ethylenethylphosphat, etc.Abb. 6A).De Mechanismus fir d'Flamverzögerungseffekter vun dëse Phosphorhaltege Verbindungen gëtt allgemeng ugeholl datt et e chemesche radikal-scavenging Prozess ass.Wärend der Verbrennung kënnen d'Phosphorhalteg Moleküle zu phosphorhaltege fräiradikale Spezies zerbriechen, déi dann d'Radikale (zum Beispill H an OH Radikale), generéiert wärend der Kettenreaktiounsverbreedung, verantwortlech sinn fir kontinuéierlech Verbrennung (zum Beispill)Fig. 6, B und C).Leider ass d'Reduktioun vun der Brennbarkeet mat der Zousatz vun dëse Phosphor-haltege Flamretardanten op d'Käschte vun der elektrochemescher Leeschtung.Fir dëst Ofdreiwung ze verbesseren, hunn aner Fuerscher e puer Ännerungen an hirer molekulare Struktur gemaach: (i) deelweis Fluoréierung vun den Alkylphosphate kann hir reduktiv Stabilitéit an hir Flammeschutzeffektivitéit verbesseren;(ii) d'Benotzung vu Verbindungen déi souwuel Schutzfilmbildend a Flam-retardéierend Eegeschaften hunn, sou wéi Bis(2-Methoxyethoxy)methylallylphosphonat, wou d'allylesch Gruppe kënne polymeriséieren an e stabile SEI-Film op Grafitflächen bilden, sou datt geféierlech Säit effektiv verhënnert gëtt. Reaktiounen;(iii) Ännerung vum P(V)-Phosphat op P(III)-Phosphite, déi d'SEI-Bildung erliichteren a fäeg sinn geféierlech PF5 ze deaktivéieren [zum Beispill Tris(2,2,2-Trifluorethyl)phosphit];an (iv) Ersatz vun Organophosphor-Additive mat zyklesche Phosphazenen, besonnesch fluoréiert Cyclophosphazen, déi d'elektrochemesch Kompatibilitéit verbessert hunn.
Fig. 6 Strategien fir d'Problemer an der Etapp 3 ze léisen.
(A) Typesch molekulare Strukture vun flammretardant Zousätz.(B) De Mechanismus fir d'Flamverzögerungseffekter vun dëse Phosphorhaltege Verbindungen gëtt allgemeng ugeholl datt et e chemesche Radikal-Scavenging-Prozess ass, deen d'radikale Kettenreaktiounen verantwortlech fir d'Verbrennungsreaktioun an der Gasphase ofschléissen kann.TPP, Triphenylphosphat.(C) D'Selbstläschtzäit (SET) vum typesche Karbonatelektrolyt kann wesentlech reduzéiert ginn mat der Zousatz vun Triphenylphosphat.(D) Schema vun der "Smart" electrospun separator mat thermesch ausgeléist Flam-retardant Eegeschafte fir LIBs.De fräistännege Separator besteet aus Mikrofiberen mat enger Kär-Schuel Struktur, wou de Flammschutz de Kär ass an de Polymer d'Schuel.Beim thermesche Ausléisung schmëlzt d'Polymerschuel an dann gëtt de verschlësselte Flammschutz an den Elektrolyt entlooss, sou datt effektiv d'Zündung an d'Verbrenne vun den Elektrolyte ënnerdréckt.(E) SEM Bild vun den TPP@PVDF-HFP Mikrofiberen no Ätzen weist kloer hir Kär-Schuel Struktur.Skala Bar, 5 μm.(F) Typesch molekulare Strukture vun Raumtemperatur ionesche Flëssegkeeten als netflammable Elektrolyte fir LIBs benotzt.(G) D'molekulare Struktur vu PFPE, en netflammablen perfluorinéierten PEO Analog.Zwee Methylkarbonatgruppen ginn op den Terminaler vun de Polymerketten geännert fir d'Kompatibilitéit vun de Moleküle mat aktuellen Batteriesystemer ze garantéieren.
Et sollt bemierkt ginn datt et ëmmer e Commerce tëscht der reduzéierter Brennbarkeet vum Elektrolyt an der Zellleistung fir déi opgelëscht Zousatzstoffer ass, obwuel dëse Kompromiss duerch déi uewe genannte molekulare Designs verbessert gouf.Eng aner proposéiert Strategie fir dëse Problem ze léisen involvéiert d'Integratioun vum Flammretardant an der schützender Polymer Schuel vu Mikrofiberen, déi weider gestapelt gi fir en net-woven Separator ze bilden (Abb. 6D).E Roman electrospun nonwoven Microfiber Separator mat thermesch ausgeléist Flam-retardant Eegeschafte war fir LIBs fabrizéiert.D'Verkapselung vum Flam retardant bannent der Schutzmoossnamen Polymer Réibau verhënnert direkt Belaaschtung vun der Flam retardant un der electrolyte, verhënnert negativ Auswierkunge vun de retardants op der elektrochemical Leeschtung vun der Batterie (Abb. 6E).Wéi och ëmmer, wann d'thermesch Oflaf vun der LIB Batterie geschitt ass, schmëlzt d'Poly(Vinylidenfluorid-Hexafluoropropylen) Copolymer (PVDF-HFP) Schuel wéi d'Temperatur eropgeet.Da gëtt de verschlësselten Triphenylphosphat-Flamretardant an den Elektrolyt entlooss, sou datt effektiv d'Verbrennung vun den héichbrennbaren Elektrolyte ënnerdréckt.
E "Salz-konzentréiert Elektrolyt" Konzept gouf och entwéckelt fir dëst Dilemma ze léisen.Dës Feierläschorganesch Elektrolyte fir nofëllbar Batterien enthalen LiN(SO2F)2 als Salz an e populäre Flammeschutz vun Trimethylphosphat (TMP) als eenzeg Léisungsmëttel.Déi spontan Bildung vun engem robuste Salz-ofgeleet anorganeschen SEI op der Anode ass entscheedend fir stabil elektrochemesch Leeschtung.Dës nei Strategie kann op verschidden aner Flam retardants verlängert ginn a kann eng nei Avenue opmaachen fir nei Flam-retardant Léisungsmëttelen fir méi sécher LIBs z'entwéckelen.
Net brennbar flësseg Elektrolyte.Eng ultimativ Léisung fir d'Sécherheetsprobleemer vum Elektrolyt wier intrinsesch netflammbar Elektrolyte z'entwéckelen.Eng Grupp vun net entzündlechen Elektrolyte, déi extensiv studéiert gouf, ass ionesch Flëssegkeeten, besonnesch Raumtemperatur ionesch Flëssegkeeten, déi net flüchteg sinn (keen detektéierbar Dampdrock ënner 200 ° C) an net brennbar an hunn eng breet Temperaturfenster (Abb. 6F).Wéi och ëmmer, kontinuéierlech Fuerschung ass nach ëmmer erfuerderlech fir d'Froen vun der niddereger Tauxfäegkeet ze léisen, déi aus hirer héijer Viskositéit, der gerénger Li-Transferenzzuel, der kathodescher oder reduktiver Onstabilitéit entstinn, an den héije Käschte vun ionesche Flëssegkeeten.
Niddereg-molekulare Gewiicht Hydrofluoroethers sinn eng aner Klass vun nonflammable flësseg Elektrolyte wéinst hirem héijen oder kee Flash Punkt, Nonflammability, niddereg Uewerfläch Spannung, niddereg Viskositéit, niddereg Afréiere Temperatur, etc.Proper molekulare Design sollt gemaach ginn fir hir chemesch Eegeschaften unzepassen fir d'Critèrë vun Batterieelektrolyte z'erreechen.En interessant Beispill dat viru kuerzem gemellt gouf ass Perfluoropolyether (PFPE), e perfluorinéierten Polyethylenoxid (PEO) Analog dee bekannt ass fir seng Netbrennbarkeet (Abb. 6G).Zwee Methylkarbonatgruppen ginn op den Terminalgruppen vun PFPE Ketten (PFPE-DMC) geännert fir d'Kompatibilitéit vun de Moleküle mat aktuellen Batteriesystemer ze garantéieren.Also kann d'Netbrennbarkeet an d'thermesch Stabilitéit vu PFPEs d'Sécherheet vun de LIBs wesentlech verbesseren, wärend d'Elektrolyttransferzuel eropgeet wéinst dem eenzegaartege molekulare Strukturdesign.
Etapp 3 ass déi lescht awer besonnesch entscheedend Etapp fir den thermesche Fluchprozess.Et sollt bemierkt datt obwuel grouss Efforte gewidmet sinn fir d'Entzündbarkeet vum modernste flëssege Elektrolyt ze reduzéieren, d'Benotzung vun netflüchtege festen Elektrolyte weist grouss Verspriechen.Fest Elektrolyte falen haaptsächlech an zwou Kategorien: anorganesch Keramik Elektrolyte [Sulfiden, Oxiden, Nitriden, Phosphate, etc.] a feste Polymer Elektrolyte [Mëschunge vu Li Salze mat Polymeren, wéi Poly(Ethylenoxid), Polyacrylonitril, etc.].D'Efforte fir fest Elektrolyte ze verbesseren ginn net hei detailléiert, well dëst Thema scho gutt an e puer rezent Rezensiounen zesummegefaasst gouf.
OUTLOOK
An der Vergaangenheet si vill nei Materialien entwéckelt fir d'Batteriesécherheet ze verbesseren, obwuel de Problem nach net ganz geléist gouf.Zousätzlech variéieren d'Mechanismen déi Sécherheetsprobleemer ënnerleien fir all Batteriechemie.Dofir sollten spezifesch Materialien, déi fir verschidde Batterien ugepasst sinn, entworf ginn.Mir gleewen datt méi effizient Methoden a gutt entworf Material bleiwen ze entdecken.Hei lëschte mir e puer méiglech Richtungen fir zukünfteg Batteriesécherheetsfuerschung.
Als éischt ass et wichteg in situ oder an operando Methoden z'entwéckelen fir intern Gesondheetsbedéngungen vun LIBs z'entdecken an ze iwwerwaachen.Zum Beispill ass den thermesche Fluchprozess enk verbonne mat der interner Temperatur oder Drockerhéigung bannent LIBs.Wéi och ëmmer, d'Temperaturverdeelung bannent Batterien ass zimlech komplex, a Methode si gebraucht fir d'Wäerter fir Elektrolyte an Elektroden präzis ze iwwerwaachen, souwéi Separatoren.Also, dës Parameteren fir verschidde Komponenten ze moossen ass kritesch fir d'Diagnostik an domat Batteriesécherheetsrisiken ze vermeiden.
D'thermesch Stabilitéit vun de Separatoren ass entscheedend fir d'Batteriesécherheet.Déi nei entwéckelt Polymere mat héije Schmelzpunkte sinn effektiv fir d'thermesch Integritéit vum Separator ze erhéijen.Wéi och ëmmer, hir mechanesch Eegeschafte sinn nach ëmmer schwaach, wat hir Veraarbechtbarkeet während der Batteriemontage staark reduzéiert.Ausserdeem ass de Präis och e wichtege Faktor dee fir praktesch Uwendunge berücksichtegt soll ginn.
D'Entwécklung vu festen Elektrolyte schéngt déi ultimativ Léisung fir d'Sécherheetsprobleemer vu LIBs ze sinn.De festen Elektrolyt wäert d'Méiglechkeet vu Batterie intern Ofkierzung staark reduzéieren, zesumme mam Risiko vu Bränn an Explosiounen.Och wa grouss Efforte fir de Fortschrëtt vu festen Elektrolyte gewidmet sinn, bleift hir Leeschtung weider wäit hannert där vu flëssege Elektrolyte.Komposite vun anorganeschen a Polymer Elektrolyte weisen e grousst Potenzial, awer si erfuerderen delikat Design a Virbereedung.Mir betounen datt de richtegen Design vun den anorganesche-Polymer-Interfaces an d'Ingenieur vun hirer Ausrichtung entscheedend sinn fir effizienten Li-Ion-Transport.
Et sollt bemierkt datt de flëssege Elektrolyt net déi eenzeg Batteriekomponent ass, déi brennbar ass.Zum Beispill, wann d'LIBs héich gelueden sinn, sinn déi brennbar lithiéiert Anodematerialien (zum Beispill lithiéiert Grafit) och e grousst Sécherheetsprobleem.Flam retardants déi effizient Feiere vu Feststoffmaterialien retardéiere kënnen sinn héich gefuerdert fir hir Sécherheet ze erhéijen.D'Flamretardanten kënne mam Grafit a Form vu Polymerbinder oder konduktiv Kaderen gemëscht ginn.
Batterie Sécherheet ass en zimlech komplexen a raffinéierte Problem.D'Zukunft vun der Batteriesécherheet fuerdert méi Efforten a fundamentale mechanesche Studien fir méi déif Verständnis zousätzlech zu méi fortgeschratt Charakteriséierungsmethoden, déi weider Informatioun ubidden fir d'Materialdesign ze guidéieren.Och wann dës Iwwerpréiwung sech op d'Materialniveau Sécherheet konzentréiert, sollt et bemierkt ginn datt eng holistesch Approche weider gebraucht gëtt fir d'Sécherheetsprobleem vu LIBs ze léisen, wou Materialien, Zellkomponenten a Format, a Batteriemodul a Packs gläich Roll spillen fir Batterien zouverlässeg ze maachen ier si ginn op de Maart verëffentlecht.
REFERENZEN AN NOTIZEN
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, Material fir Lithium-Ion Batterie Sécherheet, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Post Zäit: Jun-05-2021
