Реферат
Литий-иондук батарейкалар (LIBs) энергияны сактоонун эң маанилүү технологияларынын бири болуп эсептелет.Батареялардын энергиянын тыгыздыгы жогорулаган сайын, энергия кокусунан чыгып кетсе, батареянын коопсуздугу ого бетер маанилүү болуп калат.Өрткө жана LIB жарылуусуна байланыштуу кырсыктар дүйнө жүзү боюнча тез-тез болуп турат.Кээ бирлери адамдын өмүрүнө жана ден соолугуна олуттуу коркунуч келтирип, өндүрүүчүлөр тарабынан көптөгөн продуктуларды чакыртып алууларына алып келген.Бул окуялар коопсуздук батарейкалар үчүн милдеттүү шарт экенин эскертет жана олуттуу маселелер келечекте жогорку энергиялуу батарея системаларын колдонуудан мурун чечилиши керек.Бул карап чыгуу LIB коопсуздук маселелеринин келип чыгышынын негиздерин жалпылоо жана LIB коопсуздугун жакшыртуу үчүн материалдарды долбоорлоодо акыркы негизги прогрессти баса белгилөө максатын көздөйт.Бул Карап чыгуу батареянын коопсуздугун андан ары жакшыртууга түрткү берет деп күтөбүз, айрыкча энергиянын тыгыздыгы жогору жаңы LIB үчүн.
LIB КООПСУЗДУК МАСЕЛЕЛЕРИНИН БАШКАЛАРЫ
LIB ичиндеги органикалык суюк электролит өз алдынча күйүүчү.LIB тутумунун эң катастрофалык бузулууларынын бири - бул батарейканын коопсуздугу боюнча кооптонуунун негизги себеби болуп эсептелген каскаддык жылуулук качуу окуясы.Жалпысынан, термикалык качуу экзотермикалык реакция көзөмөлдөн чыкканда пайда болот.Батареянын температурасы ~80°Cден жогору көтөрүлгөндө, батареялардын ичиндеги экзотермикалык химиялык реакциянын ылдамдыгы жогорулап, клетканы андан ары ысытат, натыйжада оң пикир алмашуу цикли пайда болот.Температуранын тынымсыз жогорулашы өзгөчө чоң батарея топтомдору үчүн өрткө жана жарылууга алып келиши мүмкүн.Ошондуктан, термикалык качуунун себептерин жана процесстерин түшүнүү LIBтердин коопсуздугун жана ишенимдүүлүгүн жогорулатуу үчүн функционалдык материалдарды долбоорлоого жетекчилик кыла алат.Термикалык качуу процесси кыскача айтканда үч этапка бөлүүгө болот1-сүрөт.
1-сүрөт Термикалык качуу процессинин үч баскычы.
1-этап: Ашыкча ысып кетүүнүн башталышы.Батареялар кадимки абалдан анормалдуу абалга өтүп, ички температура жогорулай баштайт.2-этап: Жылуулук топтоо жана газ чыгаруу процесси.Ички температура тез көтөрүлүп, батарейка экзотермикалык реакцияларга дуушар болот.3-этап: Күйүү жана жарылуу.Күйүүчү электролит күйүп, өрткө, атүгүл жарылууга алып келет.
Ашыкча ысып кетүүнүн башталышы (1-этап)
Термикалык качуу батарея системасынын ысып кетишинен башталат.Алгачкы ысып кетүү аккумулятордун эсептелген чыңалуудан ашык заряддалышынын (ашыкча заряддоонун), ашыкча температуранын таасири, зымдардын туура эмес зымдарынан улам тышкы кыска туташуулардын же клетканын кемчиликтеринен улам болгон ички кыска туташуулардын натыйжасында пайда болушу мүмкүн.Алардын ичинен ички кыскалык жылуулук качуунун негизги себеби болуп саналат жана контролдоо салыштырмалуу кыйын.Тышкы металл калдыктарынын өтүшү сыяктуу клетканын майдалануу шарттарында ички кыскалык болушу мүмкүн;унаа кагылышуу;литий дендритинин пайда болушу жогорку токтун тыгыздыгы заряддоодо, ашыкча заряддоо шарттарында же төмөн температурада;жана батареяны чогултуу учурунда түзүлгөн кемчиликтүү сепараторлор, бир нече ат.Мисалы, 2013-жылдын октябрынын башында Сиэтлге жакын жерде Тесла унаасы калканчты жана аккумулятордун пакетин тешип кеткен металл калдыктарын сүзгөн.Таштандылар полимер сепараторлоруна кирип, катод менен анодду түз бириктирип, батареянын кыска туташуусуна жана күйүп кетишине алып келген;2016-жылы Samsung Note 7 батареясынын күйүшү агрессивдүү өтө жука сепараторго байланыштуу болгон, ал тышкы басымдан оңой бузулган же оң электроддогу ширетүүчү бурчтар батареянын кыска туташуусуна алып келген.
1-этапта батареянын иштеши нормалдуу абалдан анормалдуу абалга өзгөрөт жана жогоруда саналып өткөн бардык маселелер батареянын ысып кетишине алып келет.Ички температура жогорулай баштаганда 1-этап аяктап, 2-этап башталат.
Жылуулук топтоо жана газ чыгаруу процесси (2-этап)
2-этап башталганда, ички температура тез көтөрүлүп, батарейка төмөнкү реакцияларга дуушар болот (бул реакциялар так берилген тартипте болбойт; алардын кээ бирлери бир убакта болушу мүмкүн):
(1) Катуу электролит интерфазасынын (SEI) ысып кетүүсүнөн же физикалык киришинен улам бузулушу.SEI катмары негизинен туруктуу (мисалы, LiF жана Li2CO3) жана метастабилдүү [полимерлер, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 жана ROLi] компоненттеринен турат.Бирок, метастабилдүү компоненттер болжол менен > 90°Cде экзотермикалык жактан чирип, күйүүчү газдарды жана кычкылтекти бөлүп чыгарышы мүмкүн.Мисал катары (CH2OCO2Li)2 алалы
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0,5O2
(2) SEI ыдыраганда температура көтөрүлүп, аноддогу литий металлы же интеркалацияланган литий электролиттеги органикалык эриткичтер менен реакцияга кирип, күйүүчү углеводород газдарын (этан, метан жана башкалар) бөлүп чыгарат.Бул температураны андан ары жогорулаткан экзотермикалык реакция.
(3) КачанT> ~130°C, полиэтилен (ПЭ)/полипропилен (PP) сепаратор эрий баштайт, бул абалды андан ары начарлатат жана катод менен аноддун ортосунда кыска туташууну пайда кылат.
(4) Акыр-аягы, жылуулук литий металл оксиди катоддук материалдын ажырашына алып келет жана кычкылтек чыгарууга алып келет.Мисал катары LiCoO2ди алалы, ал төмөнкүдөй ~180°Cден баштап ыдырай алат
Катоддун бузулушу да өтө экзотермиялык болуп, температураны жана басымды андан ары жогорулатат жана натыйжада реакцияларды дагы тездетет.
2-этапта температура жогорулап, батарейкалардын ичинде кычкылтек топтолот.Термикалык качуу процесси батареянын күйүшү үчүн жетиштүү кычкылтек жана жылуулук топтолгондон кийин 2-этаптан 3-этапка чейин өтөт.
Күйүү жана жарылуу (3-этап)
3-этапта күйүү башталат.LIB электролиттери органикалык болуп саналат, алар циклдик жана сызыктуу алкил карбонаттарынын дээрлик универсалдуу айкалышы.Алар жогорку туруксуздукка ээ жана абдан күйүүчү болуп саналат.Мисал катары кеңири колдонулган карбонаттык электролиттерди [этилен карбонаттын (EC) + диметилкарбонаттын (DMC) аралашмасы (салмагы боюнча 1:1)] алсак, ал бөлмө температурасында 4,8 кПа буу басымын жана өтө төмөн күйүү чекити көрсөтөт. 1,013 бар аба басымында 25° ± 1°C.2-этапта бөлүнүп чыккан кычкылтек жана жылуулук күйүүчү органикалык электролиттердин күйүшү үчүн зарыл шарттарды камсыз кылат, ошону менен өрт же жарылуу коркунучун жаратат.
2 жана 3 этаптарда экзотермиялык реакциялар адиабатка жакын шарттарда жүрөт.Ошентип, тездетилген ылдамдыктын калориметриясы (ARC) LIB ичиндеги чөйрөнү симуляциялоочу кеңири колдонулган ыкма болуп саналат, бул биздин термикалык качуу реакциясынын кинетикасын түшүнүүгө жардам берет.2-сүрөттермикалык кыянаттык сыноолор учурунда жазылган LIB типтүү ARC ийри көрсөтөт.2-этапта температуранын жогорулашына окшоштуруп, жылуулуктун тышкы булагы батареянын температурасын баштапкы температурага чейин жогорулатат.Бул температурадан жогору SEI ажырайт, бул дагы экзотермикалык химиялык реакцияларды козгойт.Акыр-аягы, сепаратор эрип кетет.Андан кийин өзүн-өзү жылытуу ылдамдыгы жогорулап, термикалык качууга (өзүн-өзү жылытуу ылдамдыгы >10°C/мин болгондо) жана электролиттин күйүүсүнө (3-этап) алып келет.
Анод мезокарбон микроб графит болуп саналат.Катод LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.Электролит EC/PC/DMCде 1,2 М LiPF6.Селгард 2325 үч катмарлуу сепаратор колдонулган.Electrochemical Society Incтин уруксаты менен ылайыкташтырылган.
Белгилей кетчү нерсе, жогоруда сүрөттөлгөн реакциялар берилген тартипте биринин артынан бири боло бербейт.Алар, тескерисинче, татаал жана системалуу маселелер.
БАТАРЕЯНЫН КООПСУЗДУКТУ ЖАКШЫРТЫЛГАН МАТЕРИАЛДАР
Батареянын термикалык качышын түшүнүүнүн негизинде, батареянын компоненттерин рационалдуу долбоорлоо аркылуу коопсуздук коркунучун азайтуу максатында көптөгөн ыкмалар изилденип жатат.Кийинки бөлүмдөрдө биз батарейканын коопсуздугун жогорулатууга, ар кандай жылуулук качуу баскычтарына туура келген маселелерди чечүүгө ар кандай материалдардын ыкмаларын жалпылайбыз.
1-этаптагы көйгөйлөрдү чечүү үчүн (ысып кетүүнүн башталышы)
Ишенимдүү анод материалдары.LIB анодундагы Ли дендриттин пайда болушу термикалык качуунун биринчи этабын баштайт.Бул маселе коммерциялык LIB аноддорунда (мисалы, көмүртектүү аноддордо) жеңилдетилгенине карабастан, Li дендритинин пайда болушу толугу менен тоскоол болгон эмес.Мисалы, коммерциялык LIBтерде, аноддор менен катоддор жакшы жупташкан эмес болсо, дендриттин графит электродунун четтеринен пайда болот.Мындан тышкары, LIBs туура эмес иштөө шарттары, ошондой эле дендрит өсүшү менен Li металлын чөктүрүшүнө алып келиши мүмкүн.Белгилүү болгондой, эгер аккумулятор заряддалган болсо дендрит оңой түзүлөт (i) Li металлынын чөгүүсү жапырт графитте Li иондорунун диффузиясына караганда тезирээк болгон токтун жогорку тыгыздыгында;(ii) графит ашыкча литийленгенде ашыкча заряддалган шарттарда;жана (iii) төмөн температурада [мисалы, суюктуктун температурасы (~0°C)], суюк электролиттин илешкектүүлүгүнүн жогорулашына жана Li-иондун диффузиялык каршылыгынын жогорулашына байланыштуу.
Материалдык касиеттердин көз карашынан алганда, аноддо Li-дендриттин өсүшүнүн башталышын аныктоочу түпкү теги туруксуз жана бирдей эмес СЭИ болуп саналат, бул локалдык токтун бирдей эмес бөлүштүрүлүшүн шарттайт.Электролит компоненттери, өзгөчө кошумчалар, SEI бирдейлигин жакшыртуу жана Li дендриттин пайда болушун жок кылуу үчүн изилденген.Типтүү кошумчаларга органикалык эмес кошулмалар [мисалы, CO2 , LiI ж.б.туруксуз циклдик молекулалар, мисалы, бутиролактон, этилен сульфит жана алардын туундулары;жана фтордуу кошулмалар, мисалы, фторэтилен карбонаты жана башкалар.Ал тургай, миллиондогон бөлүктөрү деъгээлинде, бул молекулалар дагы эле SEI морфологиясын жакшырта алат, ошентип, Li-ион агымын гомогенизациялайт жана Li дендритинин пайда болуу мүмкүнчүлүгүн жокко чыгарат.
Жалпысынан алганда, Li дендрит көйгөйлөрү дагы эле графит же көмүртектүү аноддордо жана кийинки муундагы аноддорду камтыган кремний/SiO бар.Li-dendrite өсүшү маселесин чечүү жакынкы келечекте жогорку энергия тыгыздыгы Li-ion химиялык адаптациялоо үчүн абдан маанилүү болуп саналат.Белгилеп кетүүчү нерсе, акыркы мезгилде Li-иондун агымын гомогенизациялоо жолу менен таза Li металлдык аноддордо Li дендритин түзүү маселесин чечүүгө көп күч жумшалган;мисалы, коргоочу катмар менен каптоо, жасалма SEI инженериясы ж.б. Бул жагынан алганда, кээ бир ыкмалар LIBsдеги көмүртектүү аноддор боюнча маселени чечүү жолдорун жарыкка чыгарышы мүмкүн.
Көп функционалдуу суюк электролиттер жана сепараторлор.Суюк электролит жана сепаратор жогорку энергиялуу катод менен анодду физикалык жактан ажыратууда негизги ролду ойнойт.Ошентип, жакшы иштелип чыккан көп функционалдуу электролиттер жана сепараторлор батареяны жылуулуктун алгачкы баскычында (1-этап) коргой алат.
Батареяларды механикалык майдалоодон коргоо үчүн, карбонаттык электролитке түтүндүү кремнеземди (EC/DMCде 1 M LiFP6) жөнөкөй кошуу жолу менен коюулануучу суюк электролит алынды.Механикалык басымда же соккудан кийин суюктук илешкектүүлүгүнүн көбөйүшү менен жылыштуу коюулануучу эффектти көрсөтөт, ошондуктан таасир энергиясын таркатат жана майдаланууга чыдамдуулукту көрсөтөт (3A сүрөт)
3-сүрөт 1-этаптагы маселелерди чечүү стратегиялары.
(A) Коюулоочу электролитти кесүү.Top: Кадимки электролит үчүн механикалык таасир батареянын ички кыска иштешине алып келип, өрт жана жарылууларды пайда кылышы мүмкүн.Төмөндө: Кысым же таасир астында кесилген коюулантуу эффектиси бар роман акылдуу электролит майдаланууга эң сонун толеранттуулукту көрсөтөт, ал батареялардын механикалык коопсуздугун бир топ жакшыртат.(B) Литий дендриттерин эрте аныктоо үчүн эки функционалдуу сепараторлор.Салттуу литий батареясында дендриттин пайда болушу, мында литий дендрити менен сепаратордун толук кириши ички кыска туташуудан улам батарея иштебей калганда гана аныкталат.Салыштыруу үчүн, эки функционалдуу сепаратору бар литий батареясы (эки кадимки сепаратордун ортосуна кысылган өткөргүч катмардан турат), мында өсүп кеткен литий дендрити сепараторго кирип, өткөргүч жез катмары менен байланышып, натыйжадаVCu-Li, ал ички кыска туташуудан улам күтүлбөгөн ката жөнүндө эскертүү катары кызмат кылат.Бирок, толук батарея нөл эмес потенциалы менен коопсуз иштей берет.(A) жана (B) Springer Nature уруксаты менен ылайыкташтырылган же кайра чыгарылат.(C) Кооптуу Li дендриттерин керектөө жана батареянын иштөө мөөнөтүн узартуу үчүн үч катмарлуу сепаратор.Солдо: Литий аноддору дендриттик кендерди оңой пайда кылышы мүмкүн, алар бара-бара чоңоюп, инерттүү полимер сепараторуна кирип кетиши мүмкүн.Дендриттер акыры катод менен анодду туташтырганда, батарея кыска туташуу болуп, иштебей калат.Оңдо: кремний диоксиди нанобөлүкчөлөрүнүн катмары коммерциялык полимердик сепараторлордун эки катмары менен сэндвичтелген.Демек, литий дендриттери өсүп, сепараторго киргенде, алар сэндвичтелген катмардагы кремний диоксиди нанобөлүкчөлөрү менен байланышып, электрохимиялык чыгымга учурайт.(D) Скандоочу электрондук микроскопия (SEM) кремний диоксиди нанобөлүкчөлөрү сэндвичтелген сепаратордун сүрөтү.(E) Кадимки сепаратор (кызыл ийри сызык) жана кремний диоксиди нанобөлүкчөлөрүнүн сэндвичтелген үч катмар сепаратору (кара ийри сызык) менен Li/Li батареясынын убакыт профилине каршы типтүү чыңалуу.(C), (D) жана (E) John Wiley and Sons уруксаты менен чыгарылат.(F) Редокстук челноктун механизмдеринин схемалык иллюстрациясы.Ашыкча заряддалган катоддун бетинде редокс кошумчасы [O] формасында кычкылданат, ал кийин электролит аркылуу диффузия аркылуу аноддун бетинде өзүнүн баштапкы абалына [R] чейин төмөндөйт.Кычкылдануу-диффузия-калыбына келтирүү-диффузия электрохимиялык цикли чексиз сакталып калышы мүмкүн жана демек, катоддун потенциалын коркунучтуу ашыкча заряддан бөгөттөйт.(G) Редокс-шаттл кошумчаларынын типтүү химиялык структуралары.(Н) Жогорку потенциалдарда электрохимиялык полимерлешүүгө жөндөмдүү кошумчаларды өчүрүү механизми.(I) Өчүрүү ашыкча кошумчаларынын типтүү химиялык структуралары.Кошумчалардын иштөө потенциалы (G), (H) жана (I) графасында ар бир молекулярдык түзүлүштө келтирилген.
Сепараторлор катодду жана анодду электрондук түрдө изоляциялай алат жана 1-этаптын андан аркы начарлашына жол бербөө үчүн in situ батареянын ден соолук абалына мониторинг жүргүзүүдө маанилүү ролду ойной алат. Мисалы, полимер-металл-полимердик үч катмарлуу конфигурациялуу “бифункционалдуу сепаратор” (3B сүрөт) чыңалууну сезүүчү жаңы функцияны камсыздай алат.Дендрит өсүп, ортоңку катмарга жеткенде, ал металл катмарын жана анодду бириктирет, ошондой эле алардын ортосундагы чыңалуу кескин төмөндөшү дароо чыгарылат.
Аныктоодон тышкары, коркунучтуу Ли дендриттерин керектөө жана сепараторго киргенден кийин алардын өсүшүн басаңдатуу үчүн үч катмарлуу сепаратор иштелип чыккан.Коммерциялык полиолефиндик сепараторлордун эки катмары менен сэндвичтелген кремний диоксиди нанобөлүкчөлөрүнүн катмары (3-сүрөт, C жана D), ар кандай кирип кетүүчү коркунучтуу Li дендриттерди жалмап, батареянын коопсуздугун натыйжалуу жакшыртат.Корголгон батареянын иштөө мөөнөтү кадимки сепараторлор менен салыштырганда болжол менен беш эсеге узартылган (3E сүрөт).
Ашыкча заряддоодон коргоо.Ашыкча заряддоо батарейканы белгиленген чыңалуудан ашык кубаттоо катары аныкталат.Ашыкча заряддоо токтун жогорку тыгыздыгы, агрессивдүү заряддоо профилдери ж.б. менен шартталышы мүмкүн, бул бир катар көйгөйлөрдү жаратышы мүмкүн, анын ичинде (i) аккумулятордун электрохимиялык иштешине жана коопсуздугуна олуттуу таасир этүүчү Li металлынын анодго түшүшү;(ii) кычкылтекти бөлүп чыгаруучу катоддук материалдын ажыроосу;жана (iii) жылуулук жана газ түрүндөгү продуктыларды (Н2, углеводороддор, CO ж.б.) бөлүп чыгаруучу органикалык электролиттин ажыроосу.Бөлүү учурундагы электрохимиялык реакциялар татаал, алардын айрымдары төмөндө келтирилген.
Жылдызча (*) суутек газы катоддо карбонаттардын кычкылдануусу учурунда пайда болгон топторду калтырып, протиктен келип чыгышын билдирет, андан кийин алар редукциялануучу анодго тарап, Н2 пайда болот.
Функцияларындагы айырмачылыктардын негизинде ашыкча заряддан коргоочу кошумчаларды редокстук кошумчалар жана өчүрүүчү кошумчалар катары классификациялоого болот.Биринчиси клетканы ашыкча заряддан кайтарып коргойт, ал эми экинчиси клетканын ишин биротоло токтотот.
Редокс-шаттл кошумчалары ашыкча заряд пайда болгондо аккумуляторго куюлган ашыкча зарядды электрохимиялык маневрлөө аркылуу иштешет.көрсөтүлгөндөй3F сүрөт, механизм электролит аноддук ажыроо караганда бир аз төмөн кычкылдануу потенциалы бар редокс кошулмасына негизделген.Ашыкча заряддалган катоддун бетинде редокс кошумчасы [O] формасында кычкылданат, ал электролит аркылуу диффузиядан кийин аноддун бетинде кайра баштапкы абалына [R] чейин төмөндөйт.Андан кийин, кыскартылган кошумча катодго кайра диффузияланышы мүмкүн жана "кычкылдануу-диффузия-калыбына келтирүү-диффузия" электрохимиялык цикли чексиз сакталып калышы мүмкүн жана демек, катоддун потенциалын андан ары коркунучтуу ашыкча заряддан бөгөттөйт.Изилдөөлөр көрсөткөндөй, кошумчалардын редокс потенциалы катоддун потенциалынан 0,3-0,4 В жогору болушу керек.
Жакшы ылайыкташтырылган химиялык түзүлүшү жана редокс потенциалы бар бир катар кошумчалар иштелип чыккан, анын ичинде металлорганикалык металлоцендер, фенотиазиндер, трифениламиндер, диметоксибензолдор жана алардын туундулары жана 2-(пентафторфенил)-тетрафтор-1,3,2-бензодио (3G сүрөт).Молекулярдык структураларды ыңгайлаштыруу менен, кошумча кычкылдануу потенциалдарын 4 Втан жогору ыңгайлаштырууга болот, бул тез өнүгүп жаткан жогорку чыңалуудагы катоддук материалдар жана электролиттер үчүн ылайыктуу.Дизайндын негизги принциби кошумчанын эң жогорку ээлеген молекулярдык орбиталын электрон тартып алуучу алмаштыруучуларды кошуу аркылуу төмөндөтүүнү камтыйт, бул кычкылдануу потенциалынын жогорулашына алып келет.Органикалык кошумчалардан тышкары кээ бир органикалык эмес туздар, алар электролит тузу катары гана иштебестен, ошондой эле редокстук редокс катары да кызмат кыла алат, мисалы, перфтороборандык кластердик туздар [башкача айтканда, литий флюорододекабораттары (Li2B12F)xH12−x)], ошондой эле натыйжалуу редокс челнок кошулмалары деп табылган.
Өчүрүү ашыкча кубаттоо кошумчалары кайтарылгыс ашыкча заряддан коргоочу кошумчалардын классы болуп саналат.Алар же жогорку потенциалдарда газды бөлүп чыгаруу менен иштешет, ал өз кезегинде ток үзгүч түзүлүштү активдештирет, же катастрофалык натыйжалар пайда боло электе батареянын иштешин токтотуу үчүн жогорку потенциалдарда туруктуу электрохимиялык полимерлөө жолу менен иштешет (3H сүрөт).Биринчисинин мисалдарына ксилол, циклогексилбензол жана бифенил кирет, ал эми экинчисине бифенил жана башка алмаштырылган ароматтык кошулмалар кирет (3I-сүрөт).Өчүрүү кошулмаларынын терс таасирлери дагы эле бул кошулмалардын кайтарылгыс кычкылдануусунан улам LIBтердин узак мөөнөттүү иштеши жана сактоо көрсөткүчтөрү болуп саналат.
2-этаптагы көйгөйлөрдү чечүү үчүн (жылуулук топтоо жана газ чыгаруу процесси)
Ишенимдүү катод материалдары.Литий өтүүчү металл оксиддери, мисалы, катмарлуу оксиддер LiCoO2, LiNiO2 жана LiMnO2;шпинел тибиндеги оксиди LiM2O4;жана LiFePO4 полианиондук түрү кеңири колдонулган катоддук материалдар, бирок аларда коопсуздук маселелери өзгөчө жогорку температурада бар.Алардын ичинен оливин структуралуу LiFePO4 салыштырмалуу коопсуз, ал 400°Сге чейин туруктуу, ал эми LiCoO2 250°Cде чирий баштайт.LiFePO4тин жакшыртылган коопсуздугунун себеби, бардык кычкылтек иондору P5+ менен күчтүү коваленттик байланыштарды түзүп, PO43− тетраэдрдик полианиондорду түзүшөт, алар бардык үч өлчөмдүү алкакты турукташтырат жана башка катоддук материалдарга салыштырмалуу жакшыртылган туруктуулукту камсыз кылат, бирок дагы деле бар. кээ бир аккумулятордук өрт кырсыгы катталды.Негизги коопсуздук маселеси бул катоддук материалдардын жогорку температурада ажырашынан жана бир убакта кычкылтектин бөлүнүп чыгышынан келип чыгат, алар чогуу күйүүгө жана жарылууга алып келип, батареянын коопсуздугуна олуттуу доо кетирет.Мисалы, катмарлуу LiNiO2 оксидинин кристаллдык структурасы туруксуз, анткени Ni2+ бар, анын иондук өлчөмү Li+ менен окшош.Делитияланган ЛиxNiO2 (x< 1) электролиттин күйүүсүнө алып келип, кычкылтек 200°C тегереги менен суюк электролитке бөлүнүп чыгып, LiNi2O4 (шпинель) жана таш тузу түрүндөгү NiO стабилдүү шпинел тибиндеги фазага өтүүгө умтулат.
Бул катоддук материалдардын термикалык туруктуулугун атомдук допинг жана жер үстүндөгү коргоочу каптамалар аркылуу жакшыртуу үчүн олуттуу аракеттер жасалды.
Атомдук допинг натыйжасында турукташтырылган кристаллдык структуралардын эсебинен катмарланган оксиддик материалдардын жылуулук туруктуулугун бир топ жогорулата алат.LiNiO2 же Li1.05Mn1.95O4 жылуулук туруктуулугун Co, Mn, Mg жана Al сыяктуу башка металл катиондор менен Ni же Mn жарым-жартылай алмаштыруу менен олуттуу жакшыртса болот.LiCoO2 үчүн Ni жана Mn сыяктуу допинг жана легирлөөчү элементтерди киргизүү ажыроо башталышынын температурасын кескин жогорулатат.Tдец, ошону менен бирге жогорку температурада электролит менен реакцияларды болтурбоо.Бирок, жалпысынан катоддун жылуулук туруктуулугунун жогорулашы өзгөчө кубаттуулуктагы курмандыктар менен коштолот.Бул маселени чечүү үчүн, катмарлуу литий никель кобальт марганец оксидинин негизинде кайра заряддалуучу литий батареялары үчүн концентрация-градиенттүү катоддук материал иштелип чыккан (4A сүрөт).Бул материалда ар бир бөлүкчө Ni-бай болгон борбордук массага жана Mn-га бай тышкы катмарга ээ.4B сүрөт).Биринчиси жогорку кубаттуулукту камсыз кылса, экинчиси жылуулук туруктуулугун жакшыртат.Бул роман катод материалы алардын электрохимиялык көрсөткүчтөрүн бузбастан, батареялардын коопсуздугун жакшыртуу үчүн көрсөтүлдү (4C сүрөт).
4-сүрөт 2-этаптагы маселелерди чечүү стратегиялары: Ишенимдүү катоддор.
(A) Концентрация-градиенттүү сырткы катмар менен курчалган Ni-бай өзөгү бар оң электрод бөлүкчөсүнүн схемалык диаграммасы.Ар бир бөлүкчө Ni-бай болгон борбордук массалуу Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 жана Mn-бай сырткы катмары [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] менен Ni концентрациясынын азайышы жана Mn жана Co концентрациясынын көбөйүшү менен бар. бетине жакындаган сайын.Биринчиси жогорку кубаттуулукту камсыз кылса, экинчиси жылуулук туруктуулугун жакшыртат.Орточо курамы Li(Ni0,68Co0,18Mn0,18)O2.Кадимки бөлүкчөнүн сканерлөөчү электрондук микрографы да оң жакта көрсөтүлгөн.(B) акыркы lithiated оксид Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18) O2 электрон-зонд рентген микроанализ жыйынтыктары.Ни, Mn жана Сонун катмарларынын акырындык менен концентрациясынын өзгөрүшү айкын көрүнүп турат.Ni концентрациясы азаят, ал эми Co жана Mn концентрациясы жер бетине карай жогорулайт.(C) Дифференциалдык сканерлөөчү калориметрия (DSC) электролиттин концентрация-градиент материалы Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, Ni-бай борбордук материалы Li(Ni0.8Co0.1Mn0) менен реакциясынан жылуулук агымын көрсөткөн издер. 1)O2 жана Mn-га бай тышкы катмар [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].Материалдар 4,3 V. (A), (B) жана (C) чейин айыпталган Springer Nature уруксаты менен кайра чыгарылат.(D) Солдо: Трансмиссиялык электрондук микроскопия (TEM) AlPO4 нанобөлүкчөлөрү менен капталган LiCoO2 жаркыраган талаа сүрөтү;энергетикалык дисперсиялык рентген спектрометриясы каптоо катмарындагы Al жана P компоненттерин тастыктайт.Оңдо: нано масштабдуу каптоо катмарында AlPO4 нанобөлүкчөлөрүн (диаметри ~ 3 нм) көрсөткөн жогорку чечим TEM сүрөтү;жебелер AlPO4 катмары менен LiCoO2 ортосундагы интерфейсти көрсөтөт.(E) Сол: 12-V ашыкча заряд сынагынан кийин жылаңач LiCoO2 катодун камтыган клетканын сүрөтү.Ошол чыңалууда клетка күйүп, жарылып кеткен.Оңдо: 12-V ашыкча заряд сынагынан кийин AlPO4 нанобөлүкчөлөрү менен капталган LiCoO2 камтыган клетканын сүрөтү.(D) жана (E) John Wiley and Sons уруксаты менен чыгарылат.
Термикалык туруктуулукту жакшыртуунун дагы бир стратегиясы катоддук материалды термикалык туруктуу Li+ өткөргүч кошулмалардын коргоочу жука катмары менен каптоо болуп саналат, ал катоддук материалдардын электролит менен тикелей тийүүсүн алдын алат жана ошону менен каптал реакцияларды жана жылуулуктун пайда болушун азайтат.Каптамалар органикалык эмес пленкалар болушу мүмкүн [мисалы, ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3 ж.б.], алар литийленгенден кийин Li иондорун өткөрө алышат (4-сүрөт, D жана E) же органикалык пленкалар, мисалы, поли(диаллилдиметиламмоний хлориди), γ-бутиролактон кошумчалары менен түзүлгөн коргоочу пленкалар жана көп компоненттүү кошумчалар (винилен карбонатынан, 1,3-пропилен сульфитинен жана диметилацетамидден турат).
Оң температура коэффициенти менен жабууну киргизүү катоддун коопсуздугун жогорулатуу үчүн да натыйжалуу.Мисалы, поли(3-децилтиофен) менен капталган LiCoO2 катоддору температура >80°Cге чейин көтөрүлгөндө электрохимиялык реакцияларды жана терс реакцияларды токтото алат, анткени өткөргүч полимер катмары тез резистенттүү абалга өтө алат.Гипер-тармактуу архитектура менен өзүн-өзү аяктаган олигомерлердин каптамалары батареяны катод тараптан өчүрүү үчүн жылуулукка жооп берүүчү блоктоочу катмар катары да иштей алат.
Термикалык алмаштырылуучу ток коллектору.2-этапта батареянын температурасы жогорулаганда электрохимиялык реакциялардын өчүрүлүшү температуранын андан ары көтөрүлүшүнө натыйжалуу жол бербейт.Тез жана кайра кайтарылуучу терморе жооп берүүчү полимердик коммутация (TRPS) учурдагы коллектордун ичине киргизилген (5A сүрөт).TRPS жука пленкасы өткөргүч толтургуч катары өткөргүч графен менен капталган тик наноструктуралуу никельден (GrNi) бөлүкчөлөрдөн жана чоң жылуулук кеңейүү коэффициенти (α ~ 10−4 K−1) менен PE матрицасынан турат.Фабрикадан жасалган полимердик композиттик пленкалар бөлмө температурасында жогорку өткөргүчтүктү (σ) көрсөтөт, бирок температура которуу температурасына жакындаганда (Tс), өткөргүч бөлүкчөлөрдү бөлүп, өткөргүч жолдорду бузуп, полимердин көлөмүнүн кеңейүүсүнүн натыйжасында өткөргүчтүк 1 с ичинде жетиден сегизге чейин төмөндөйт (5B-сүрөт).Пленка заматта изоляцияга ээ болуп, батареянын иштешин токтотот (5C сүрөт).Бул процесс абдан кайра кайтарылат жана бир нече ашыкча ысып кеткен окуялардан кийин да иштеши мүмкүн.
5-сүрөт 2-этаптагы маселелерди чечүү стратегиялары.
(A) TRPS ток коллекторунун жылуулук алмаштыруучу механизминин схемалык иллюстрациясы.Коопсуз аккумулятордо жука TRPS катмары менен капталган бир же эки ток коллектору бар.Ал бөлмө температурасында кадимкидей иштейт.Бирок, жогорку температура же чоң ток болгон учурда, полимердик матрица кеңейет, ошону менен өткөргүч бөлүкчөлөрдү бөлүп, анын өткөргүчтүгүн төмөндөтүп, каршылыгын бир топ жогорулатып, батареяны өчүрөт.Ошентип, батареянын түзүмү зыян келтирбестен корголушу мүмкүн.Муздаганда, полимер кичирейет жана баштапкы өткөргүч жолдоруна ээ болот.(B) Температуранын функциясы катары ар кандай TRPS пленкаларынын каршылыгынын өзгөрүшү, анын ичинде ар кандай GrNi жүктөмдөрү менен PE/GrNi жана GrNi 30% (v/v) жүктөө менен PP/GrNi.(C) 25°C жана өчүрүү ортосунда коопсуз LiCoO2 батарейкасынын сыйымдуулугунун корутундусу.70°C нөлгө жакын кубаттуулугу толук өчүрүүнү билдирет.(A), (B) жана (C) Springer Nature уруксаты менен чыгарылат.(D) LIB үчүн микросферага негизделген өчүрүү концепциясынын схемалык көрүнүшү.Электроддор батареянын критикалык ички температурасынан жогору, термикалык өтүүгө (эрүү) дуушар болгон терморетке жооп берүүчү микросфералар менен иштешет.Эриген капсулалар электроддун бетин каптап, иондук изоляциялык тосмону пайда кылып, батареянын клеткасын өчүрөт.(E) 94% глинозем бөлүкчөлөрү жана 6% стирол-бутадиен каучук (SBR) бириктиргичтен турган жука жана өз алдынча турган органикалык эмес композиттик мембрана эритме куюу ыкмасы менен даярдалган.Оңдо: органикалык эмес композиттик сепаратордун жана PE сепараторунун жылуулук туруктуулугун көрсөткөн сүрөттөр.Сепараторлор 130°С температурада 40 мүнөт кармалып турду.PE чекиттүү чарчы менен аймактан бир кыйла кичирейген.Бирок, композиттик сепаратор ачык кичирейүүнү көрсөткөн эмес.Elsevier уруксаты менен чыгарылган.(F) Кээ бир жогорку эрүү температурасындагы полимерлердин молекулалык түзүлүшү, жогорку температурада кичирейүү менен сепаратордук материалдар.Жогорку: полиимид (PI).Ортосу: целлюлоза.Асты: поли(бутилен) терефталат.(G) Солдо: PE жана РР сепаратор менен PIнин DSC спектрлерин салыштыруу;PI сепаратор 30 ° дан 275 ° Cге чейинки температура диапазонунда сонун жылуулук туруктуулугун көрсөтөт.Оңдо: Коммерциялык сепаратордун жана синтезделген PI сепараторунун нымдуулугун пропилен карбонаттык электролит менен салыштырган санарип камерасынын сүрөттөрү.Америка химиялык коомунун уруксаты менен чыгарылган.
Термикалык өчүрүү сепараторлору.2-этапта батарейкалардын жылуулуктан качып кетишинин алдын алуунун дагы бир стратегиясы - сепаратор аркылуу Li иондорунун өткөрүүчү жолун жабуу.Сепараторлор ЛИБ коопсуздугунун негизги компоненттери болуп саналат, анткени алар иондук транспортту камсыз кылуу менен бирге жогорку энергиялуу катод менен анод материалдарынын ортосунда түз электрдик байланышты болтурбайт.PP жана PE көбүнчө колдонулган материалдар, бирок алар начар термикалык туруктуулукка ээ, эрүү чекиттери ~165° жана ~135°C.Коммерциялык LIB үчүн PP/PE/PP үч катмарлуу структурасы бар сепараторлор коммерциялаштырылган, мында PE коргоочу орто катмар болуп саналат.Батареянын ички температурасы критикалык температурадан (~ 130°C) жогору көтөрүлгөндө, тешиктүү PE катмары жарым-жартылай эрип, пленканын тешикчелерин жаап, суюк электролиттеги иондордун миграциясын алдын алат, ал эми РР катмары ички температурадан качуу үчүн механикалык колдоо көрсөтөт. кыска .Же болбосо, LIBдин термикалык индукцияланган өчүрүлүшүнө батареянын аноддорунун же сепараторлорунун коргоочу катмары катары терморестивдүү PE же парафиндик мом микросфераларын колдонуу менен да жетишүүгө болот.Батареянын ички температурасы критикалык мааниге жеткенде, микросфералар эрип, анодду/сепараторду өткөрбөгөн тосмо менен каптап, Li-ионду ташууну токтотуп, клетканы биротоло өчүрөт (5D сүрөт).
Жогорку термикалык туруктуулугу бар сепараторлор.Батарея сепараторлорунун жылуулук туруктуулугун жогорулатуу үчүн акыркы бир нече жыл ичинде эки ыкма иштелип чыккан:
(1) SiO2 жана Al2O3 сыяктуу керамикалык катмарларды түздөн-түз каптоо же үстүнкү бетинде өстүрүү жолу менен жасалган полиолефиндик сепараторлордун беттерине же полимердик материалдарга керамикалык порошокторду киргизүү жолу менен жасалган керамикалык күчөтүлгөн сепараторлор (5E сүрөт), абдан жогорку эрүү чекиттерин жана жогорку механикалык күчтү көрсөтүп, ошондой эле салыштырмалуу жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүккө ээ.Бул стратегия аркылуу жасалган кээ бир композиттик сепараторлор коммерциялаштырылган, мисалы Separion (соода аты).
(2) Сепаратор материалдарын полиолефинден жогорку эрүү температурасындагы полимерлерге, мисалы, полиимид, целлюлоза, поли(бутилен) терефталат жана башка аналогдук поли(эфирлер) сыяктуу ысытууда аз кичирейүү менен алмаштыруу термикалык туруктуулукту жогорулатуунун дагы бир эффективдүү стратегиясы болуп саналат. сепараторлордун (Fig. 5F).Мисалы, полиимид термосфералык полимер, анткени анын эң сонун термикалык туруктуулугу (400°Сден жогору), жакшы химиялык туруктуулугу, жогорку чыңалууга бекемдиги, электролитти жакшы нымдоочулугу жана отко туруктуулугу (5G сүрөт).
Муздатуу функциясы бар батарея пакеттери.Батареянын иштешин жакшыртуу жана температуранын жогорулашын басаңдатуу үчүн абанын же суюк муздаткычтын айлануусу аркылуу иштетилген аппараттын масштабдуу жылуулук башкаруу системалары колдонулган.Кошумчалай кетсек, парафиндик мом сыяктуу фазалык өзгөрүүчү материалдар батарейкаларга бириктирилип, алардын температурасын жөнгө салуу үчүн жылуулук кабылткыч катары иштешет, ошондуктан температураны кыянаттык менен колдонуудан сактанышат.
3-этаптагы көйгөйлөрдү чечүү үчүн (күйүү жана жарылуу)
Жылуулук, кычкылтек жана күйүүчү май "өрт үч бурчтугу" деп аталган көпчүлүк өрт үчүн керектүү ингредиенттер болуп саналат.1 жана 2-этаптарда пайда болгон жылуулук менен кычкылтектин топтолушу менен күйүүчү май (б.а. тез күйүүчү электролиттер) автоматтык түрдө күйө баштайт.Электролиттик эриткичтердин күйүүчүлүгүн азайтуу батареянын коопсуздугу жана LIBтин андан ары кеңири масштабдуу колдонулушу үчүн абдан маанилүү.
Отко чыдамдуу кошумчалар.Эбегейсиз зор изилдөө аракеттери суюк электролиттердин күйүүчүлүгүн төмөндөтүү үчүн отко чыдамдуу кошумчаларды иштеп чыгууга арналды.Суюк электролиттерде колдонулган отко чыдамдуу кошумчалардын көбү органикалык фосфор кошулмаларына же органикалык галогендүү бирикмелерге негизделген.Галогендер айлана-чөйрөгө жана адамдын ден соолугуна кооптуу болгондуктан, органикалык фосфор кошулмалары отко чыдамдуу кошумчалар катары келечектүү талапкерлер болуп саналат, анткени алардын отко чыдамдуу жана экологиялык тазалыгы.Типтүү органикалык фосфор кошулмаларына триметилфосфат, трифенилфосфат, бис(2-метоксиэтокси)метилаллилфосфонат, трис(2,2,2-трифторэтил)фосфит, (этокси)пентафтороциклотрифосфат, ж.б.6А сүрөт).Бул phosphorus камтыган кошулмалардын жалын басаңдатуучу таасиринин механизми көбүнчө химиялык радикалдарды тазалоо процесси деп эсептелет.Күйүү учурунда фосфор камтыган молекулалар фосфор камтыган эркин радикал түрлөргө ажырай алат, алар андан соң үзгүлтүксүз күйүү үчүн жооптуу болгон чынжыр реакциясынын таралышында пайда болгон радикалдарды (мисалы, H жана OH радикалдары) токтото алат (6-сүрөт, В жана С).Тилекке каршы, бул phosphorus камтыган жалынга каршы кошуу менен күйүүчүлүгүн азайтуу электрохимиялык көрсөткүчтөрдүн эсебинен келет.Бул алмашууну жакшыртуу үчүн, башка изилдөөчүлөр алардын молекулярдык түзүлүшүнө кээ бир өзгөртүүлөрдү киргизишти: (i) алкилфосфаттарды жарым-жартылай фторизациялоо алардын редукциялык туруктуулугун жана жалынга каршы натыйжалуулугун жакшыртат;(ii) бис(2-метоксиетокси)метилаллилфосфонат сыяктуу коргоочу пленка түзүүчү жана жалынга каршы касиеттерге ээ болгон кошулмаларды колдонуу, мында альлилдик топтор полимерлешип, графиттин бетинде туруктуу SEI пленкасын түзө алат, ошентип коркунучтуу тараптын эффективдүү алдын алат. реакциялар;(iii) P(V) фосфаттын Р(III) фосфиттерине өзгөрүшү, алар SEI түзүүнү жеңилдетет жана коркунучтуу PF5ти деактивациялоого жөндөмдүү [мисалы, трис(2,2,2-трифторэтил) фосфит];жана (iv) фосфорорганикалык кошумчаларды циклдик фосфазендер менен алмаштыруу, өзгөчө электрохимиялык шайкештиги жакшырган фторлуу циклофосфазен.
6-сүрөт 3-этаптагы маселелерди чечүү стратегиялары.
(A) Отко чыдамдуу кошумчалардын типтүү молекулярдык структуралары.(B) Бул фосфор камтыган кошулмалардын жалын басаңдатуучу эффекттеринин механизми көбүнчө химиялык радикалдарды тазалоо процесси деп эсептелет, ал газ фазасында күйүү реакциясы үчүн жооптуу радикалдык чынжыр реакцияларын токтото алат.ТЭЦ, трифенилфосфат.(C) типтүү карбонаттык электролиттин өзүн-өзү өчүү убактысын (SET) трифенилфосфатты кошуу менен олуттуу кыскартууга болот.(D) LIBs үчүн термикалык иштетилген жалынга каршы касиеттери бар "акылдуу" электроспун сепараторунун схемасы.Бош турган сепаратор өзөк-кабык түзүлүшү бар микроталчалардан турат, мында жалынга каршы зат өзөк жана полимер кабык болуп саналат.Термикалык триггерден кийин полимердик кабык эрип, андан кийин капсулаланган жалындан сактагыч электролитке чыгарылат, ошентип электролиттердин тутанышын жана күйүшүн эффективдүү басат.(E) TPP@PVDF-HFP микроталкаларынын SEM сүрөтү оюп түшүрүлгөндөн кийин алардын өзөк-кабыгынын түзүлүшүн ачык көрсөтөт.Масштаб тилкеси, 5 мкм.(F) LIBs үчүн күйбөгөн электролиттер катары колдонулган бөлмө температурасындагы иондук суюктуктун типтүү молекулярдык структуралары.(G) PFPEдин молекулярдык түзүлүшү, күйүүчү эмес перфтордуу PEO аналоги.Молекулалардын учурдагы батарея системалары менен шайкеш келишин камсыз кылуу үчүн полимер чынжырларынын терминалдарында эки метилкарбонат тобу өзгөртүлгөн.
Бул компромисс жогорудагы молекулярдык конструкциялар аркылуу жакшыртылганына карабастан, саналып өткөн кошумчалар үчүн электролиттин аз күйүүчүлүгү менен клетканын иштешинин ортосунда ар дайым соодалашуу бар экенин белгилей кетүү керек.Бул көйгөйдү чечүү үчүн сунушталган дагы бир стратегия жалындан сактагычты микрофиберлердин коргоочу полимердик кабыгынын ичине киргизүүнү камтыйт, алар андан ары токулбаган сепараторду түзүү үчүн тизилет (6D сүрөт).LIB үчүн термикалык иштетилген жалынга чыдамкай касиеттери бар роман токулган токулган эмес микрофибра сепаратору жасалган.Коргоочу полимердик кабыкчанын ичиндеги жалындан сактагычтын капсуласы жалындан сактагычтын электролитке түздөн-түз таасиринин алдын алат, батарейканын электрохимиялык көрсөткүчтөрүнө тескери таасиринин алдын алат (6E сүрөт).Бирок, эгерде LIB батарейкасынын термикалык качышы байкалса, поли(винилиденфторид-гексафторопропилен) сополимеринин (PVDF-HFP) кабыгы температура жогорулаган сайын ээрип кетет.Андан кийин капсулаланган трифенилфосфат жалындан сактагыч электролитке чыгарылат, ошентип тез күйүүчү электролиттердин күйүүсүн эффективдүү басат.
Бул дилемманы чечүү үчүн "туз-концентрацияланган электролит" концепциясы да иштелип чыккан.Бул кайра заряддалуучу батареялар үчүн өрт өчүрүүчү органикалык электролиттер туз катары LiN(SO2F)2 жана жападан жалгыз эриткич катары триметилфосфаттын (TMP) кеңири таралган отту кармагычын камтыйт.Аноддо бекем туздан алынган органикалык эмес СЭИнин өзүнөн өзү пайда болушу туруктуу электрохимиялык көрсөткүчтөр үчүн өтө маанилүү.Бул жаңы стратегияны башка ар кандай отко туруштук берүүчүлөргө жайылтууга болот жана коопсуз LIB үчүн жаңы отко чыдамдуу эриткичтерди иштеп чыгуу үчүн жаңы жолду ачышы мүмкүн.
күйбөгөн суюк электролиттер.Электролиттин коопсуздук маселелерине акыркы чечим күйүүчү эмес электролиттерди иштеп чыгуу болуп саналат.Кеңири изилденген күйбөй турган электролиттердин бир тобу иондук суюктуктар, өзгөчө бөлмө температурасындагы иондук суюктуктар, алар учуучу эмес (200°Стен төмөн буу басымы жок) жана күйбөйт жана кең температуралык терезеге ээ (6F сүрөт).Бирок, алардын жогорку илешкектүүлүгүнөн, аз Li өтүү санына, катоддук же редукциялык туруксуздукка жана иондук суюктуктардын кымбаттыгына байланыштуу келип чыккан төмөн ылдамдык жөндөмдүүлүгү маселелерин чечүү үчүн үзгүлтүксүз изилдөөлөр дагы эле талап кылынат.
Төмөн молекулярдык гидрофлуороэфирлер күйбөгөн суюк электролиттердин дагы бир классы болуп саналат, анткени алардын күйүү чекити жогору же жок, күйбөйт, беттик чыңалуусу төмөн, илешкектүүлүгү төмөн, тоңуу температурасы төмөн ж.б.Туура молекулярдык дизайн батарея электролиттер критерийлерин канааттандыруу үчүн алардын химиялык касиеттерин ылайыкташтыруу үчүн жасалышы керек.Кызыктуу мисал, жакында эле билдирилген перфторполиэтер (PFPE), перфторланган полиэтилен кычкылы (ПЭО) аналогу, ал күйбөй тургандыгы менен белгилүү (6G сүрөт).Эки метил карбонат тобу PFPE чынжырларынын (PFPE-DMC) терминалдык топторунда молекулалардын учурдагы батарея системалары менен шайкеш келишин камсыз кылуу үчүн өзгөртүлгөн.Ошентип, PFPEлердин күйбөйт жана жылуулук туруктуулугу уникалдуу молекулярдык түзүлүш дизайнынан улам электролит өткөрүү санын көбөйтүү менен бирге LIBтердин коопсуздугун бир топ жакшыртат.
3-этап - жылуулук качуу процесси үчүн акыркы, бирок өзгөчө маанилүү этап.Заманбап суюк электролиттин күйүүчүлүгүн азайтуу үчүн көп күч-аракет жумшалса да, катуу күйгүзүүчү электролиттерди колдонуу чоң үмүт бар экенин белгилей кетүү керек.Катуу электролиттер негизинен эки категорияга бөлүнөт: органикалык эмес керамикалык электролиттер [сульфиддер, оксиддер, нитриддер, фосфаттар ж.Катуу электролиттерди жакшыртуу аракеттери бул жерде майда-чүйдөсүнө чейин айтылбайт, анткени бул тема бир нече акыркы сын-пикирлерде жакшы жалпыланган.
ПРОГРАММА
Мурда батарейканын коопсуздугун жакшыртуу үчүн көптөгөн жаңы материалдар иштелип чыккан, бирок маселе толугу менен чечиле элек.Мындан тышкары, коопсуздук маселелерине негизделген механизмдер ар бир батареянын химиясы үчүн айырмаланат.Ошентип, ар кандай батарейкалар үчүн атайын материалдар иштелип чыгышы керек.Биз алда канча эффективдүү методдорду жана жакшы долбоорлонгон материалдарды табуу керек деп эсептейбиз.Бул жерде биз келечектеги батарейканын коопсуздугун изилдөө үчүн бир нече мүмкүн болгон багыттарды тизмектейбиз.
Биринчиден, LIBs ички ден соолук шарттарын аныктоо жана мониторинг жүргүзүү үчүн in situ же операндо ыкмаларын иштеп чыгуу маанилүү.Мисалы, жылуулук качуу процесси LIB ичиндеги ички температура же басымдын жогорулашы менен тыгыз байланышта.Бирок, батарейкалардын ичиндеги температураны бөлүштүрүү өтө татаал жана электролиттер менен электроддор, ошондой эле сепараторлор үчүн баалуулуктарды так көзөмөлдөө үчүн методдор керек.Ошентип, ар кандай компоненттер үчүн бул параметрлерди өлчөй билүү диагностикалоо жана батарейканын коопсуздук коркунучтарын алдын алуу үчүн абдан маанилүү.
Сепараторлордун жылуулук туруктуулугу батареянын коопсуздугу үчүн абдан маанилүү.Жогорку эрүү чекиттери менен жаңы иштелип чыккан полимерлер сепаратордун жылуулук бүтүндүгүн жогорулатууда натыйжалуу.Бирок, алардын механикалык касиеттери дагы эле төмөн, батареяны чогултуу учурунда алардын иштетүү жөндөмдүүлүгүн бир топ төмөндөтөт.Мындан тышкары, баа да практикалык колдонуу үчүн каралышы керек болгон маанилүү фактор болуп саналат.
Катуу электролиттерди иштеп чыгуу LIBs коопсуздук маселелери үчүн акыркы чечим болуп көрүнөт.Катуу электролит өрт жана жарылуу коркунучу менен бирге батарейканын ички кыска иштөө мүмкүнчүлүгүн бир топ азайтат.Катуу электролиттерди өнүктүрүүгө чоң күч жумшалганы менен, алардын иштеши суюк электролиттерден бир топ артта калууда.Органикалык эмес жана полимердик электролиттердин композиттери чоң потенциалды көрсөтөт, бирок алар назик дизайнды жана даярдоону талап кылат.Биз органикалык эмес-полимердик интерфейстерди туура долбоорлоо жана аларды тегиздөө инженериясынын натыйжалуу Li-ion ташуу үчүн чечүүчү мааниге ээ экендигин баса белгилейбиз.
Бул суюк электролит күйүүчү бир гана батарея компоненти эмес экенин белгилей кетүү керек.Мисалы, LIB жогорку заряддуу болгондо, күйүүчү литийленген анод материалдары (мисалы, литийленген графит) да чоң коопсуздук маселеси болуп саналат.Катуу абалдагы материалдардын өртүн эффективдүү токтото турган жалынга каршы заттар алардын коопсуздугун жогорулатуу үчүн талап кылынат.Жалындан сактагычтар графит менен полимердик бириктиргичтер же өткөргүч алкактар түрүндө аралаштырылышы мүмкүн.
Батарея коопсуздугу абдан татаал жана татаал маселе.Батареянын коопсуздугунун келечеги материалдардын дизайнын жетектөө үчүн кошумча маалыматты сунуш кыла турган өнүккөн мүнөздөмө методдорунан тышкары, тереңирээк түшүнүү үчүн фундаменталдык механикалык изилдөөлөрдө көбүрөөк күч-аракетти талап кылат.Бул карап чыгуу материал деңгээлиндеги коопсуздукка багытталганына карабастан, LIB коопсуздук маселесин чечүү үчүн мындан ары комплекстүү мамиле зарыл экенин белгилей кетүү керек, мында материалдар, клетка компоненттери жана форматы, батарея модулу жана таңгактары батареяларды ишенимдүү кылуу үчүн бирдей роль ойнойт. алар базарга чыгарылат.
МААЛЫМАТТАР ЖАНА ЭСКЕРТҮҮЛӨР
Кай Лю, Яюан Лю, ДинчангЛин, Аллен Пей, Йи Цуй, Литий-иондук батарейканын коопсуздугу үчүн материалдар, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Посттун убактысы: 05-05-2021
