Abstrakcyjny
Baterie litowo-jonowe (LIB) są uważane za jedną z najważniejszych technologii magazynowania energii.Wraz ze wzrostem gęstości energii baterii bezpieczeństwo baterii staje się jeszcze bardziej krytyczne, jeśli energia jest uwalniana w sposób niezamierzony.Wypadki związane z pożarami i wybuchami LIB zdarzają się często na całym świecie.Niektóre spowodowały poważne zagrożenia dla życia i zdrowia ludzi oraz doprowadziły do licznych wycofań produktów przez producentów.Incydenty te przypominają, że bezpieczeństwo jest warunkiem wstępnym dla akumulatorów, a poważne problemy muszą zostać rozwiązane przed przyszłym zastosowaniem systemów akumulatorów o wysokiej energii.Przegląd ten ma na celu podsumowanie podstaw kwestii związanych z bezpieczeństwem LIB i podkreślenie ostatnich kluczowych postępów w projektowaniu materiałów w celu poprawy bezpieczeństwa LIB.Przewidujemy, że ten przegląd zainspiruje dalszą poprawę bezpieczeństwa baterii, zwłaszcza w przypadku pojawiających się LIB o wysokiej gęstości energii.
POCHODZENIE KWESTII BEZPIECZEŃSTWA LIB
Organiczny ciekły elektrolit wewnątrz LIB jest samoistnie palny.Jedną z najbardziej katastrofalnych awarii systemu LIB jest kaskadowe zjawisko niestabilności termicznej, które jest uważane za główną przyczynę obaw o bezpieczeństwo akumulatorów .Ogólnie rzecz biorąc, ucieczka termiczna występuje, gdy reakcja egzotermiczna wymyka się spod kontroli.Wraz ze wzrostem temperatury baterii powyżej ~80°C, tempo egzotermicznej reakcji chemicznej wewnątrz baterii wzrasta i dalej nagrzewa się ogniwo, co skutkuje cyklem dodatniego sprzężenia zwrotnego.Ciągle rosnące temperatury mogą spowodować pożary i wybuchy, zwłaszcza w przypadku dużych akumulatorów.Dlatego zrozumienie przyczyn i procesów niestabilności termicznej może pomóc w projektowaniu funkcjonalnych materiałów w celu poprawy bezpieczeństwa i niezawodności LIB.Niekontrolowany proces termiczny można podzielić na trzy etapy, które podsumowano wRys. 1.
Rys. 1 Trzy etapy niekontrolowanego procesu termicznego.
Etap 1: Początek przegrzania.Baterie przechodzą ze stanu normalnego do nieprawidłowego, a temperatura wewnętrzna zaczyna rosnąć.Etap 2: Proces akumulacji ciepła i uwalniania gazu.Temperatura wewnętrzna szybko rośnie, a bateria przechodzi reakcje egzotermiczne.Etap 3: Spalanie i eksplozja.Palny elektrolit ulega spaleniu, co prowadzi do pożarów, a nawet wybuchów.
Początek przegrzania (etap 1)
Ucieczka termiczna zaczyna się od przegrzania systemu baterii.Początkowe przegrzanie może wystąpić w wyniku ładowania akumulatora powyżej zaprojektowanego napięcia (przeładowanie), wystawienia na działanie nadmiernych temperatur, zewnętrznych zwarć z powodu wadliwego okablowania lub wewnętrznych zwarć z powodu wad ogniw.Wśród nich zwarcie wewnętrzne jest główną przyczyną niestabilności termicznej i jest stosunkowo trudne do opanowania.Zwarcie wewnętrzne może wystąpić w warunkach zmiażdżenia komórek, takich jak penetracja zewnętrznych zanieczyszczeń metalowych;kolizja pojazdu;tworzenie się dendrytów litu podczas ładowania o wysokiej gęstości prądu, w warunkach przeładowania lub w niskich temperaturach;i wadliwych separatorów powstałych podczas montażu baterii, żeby wymienić tylko kilka.Na przykład na początku października 2013 r. samochód Tesli w pobliżu Seattle uderzył w metalowe szczątki, które przebiły osłonę i akumulator.Odłamki przedostały się do separatorów polimerowych i bezpośrednio połączyły katodę i anodę, powodując zwarcie baterii i zapalenie się;w 2016 r. pożar baterii Samsung Note 7 był spowodowany agresywnie ultracienkim separatorem, który łatwo ulegał uszkodzeniu przez ciśnienie zewnętrzne lub zadziory spawalnicze na elektrodzie dodatniej, powodując zwarcie baterii.
Podczas pierwszego etapu praca baterii zmienia się z normalnego na nienormalny, a wszystkie wymienione powyżej problemy spowodują przegrzanie baterii.Gdy temperatura wewnętrzna zaczyna rosnąć, kończy się etap 1 i rozpoczyna się etap 2.
Proces akumulacji ciepła i uwalniania gazu (etap 2)
Wraz z rozpoczęciem etapu 2 temperatura wewnętrzna szybko rośnie, a bateria przechodzi następujące reakcje (reakcje te nie zachodzą w dokładnie podanej kolejności; niektóre z nich mogą zachodzić jednocześnie):
(1) Rozkład interfazy elektrolitu stałego (SEI) na skutek przegrzania lub penetracji fizycznej .Warstwa SEI składa się głównie ze składników stabilnych (takich jak LiF i Li2CO3) i metastabilnych [takich jak polimery, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 i ROLi].Jednak składniki metastabilne mogą rozkładać się egzotermicznie w temperaturze około >90°C, uwalniając łatwopalne gazy i tlen.Weźmy jako przykład (CH2OCO2Li)2
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0,5O2
(2) Wraz z rozkładem SEI temperatura wzrasta, a lit metaliczny lub interkalowany lit w anodzie będzie reagować z rozpuszczalnikami organicznymi w elektrolicie, uwalniając łatwopalne gazy węglowodorowe (etan, metan i inne).Jest to reakcja egzotermiczna, która jeszcze bardziej podnosi temperaturę.
(3) KiedyT> ~130°C separator polietylen (PE)/polipropylen (PP) zaczyna się topić, co dodatkowo pogarsza sytuację i powoduje zwarcie między katodą a anodą.
(4) Ostatecznie ciepło powoduje rozkład materiału katody z tlenku litu i powoduje uwolnienie tlenu.Weźmy za przykład LiCoO2, który może rozkładać się od ~180°C w następujący sposób
Rozpad katody jest również silnie egzotermiczny, powodując dalszy wzrost temperatury i ciśnienia, a w rezultacie dalsze przyspieszenie reakcji.
Podczas drugiego etapu temperatura wzrasta i wewnątrz akumulatorów gromadzi się tlen.Proces niekontrolowanej temperatury przechodzi od etapu 2 do etapu 3, gdy tylko zgromadzi się wystarczająca ilość tlenu i ciepła do spalania akumulatora.
Spalanie i wybuch (etap 3)
Na etapie 3 rozpoczyna się spalanie.Elektrolity LIB są organiczne, co stanowi niemal uniwersalną kombinację cyklicznych i liniowych węglanów alkilowych.Charakteryzują się wysoką lotnością i są samoistnie wysoce łatwopalne.Na przykładzie powszechnie stosowanego elektrolitu węglanowego [mieszanina węglanu etylenu (EC) + węglanu dimetylu (DMC) (1:1 wagowo)] wykazuje on prężność pary 4,8 kPa w temperaturze pokojowej i wyjątkowo niską temperaturę zapłonu 25° ± 1°C przy ciśnieniu powietrza 1,013 bar.Uwolniony tlen i ciepło w etapie 2 zapewniają wymagane warunki do spalania palnych elektrolitów organicznych, powodując w ten sposób zagrożenie pożarem lub wybuchem.
Na etapie 2 i 3 reakcje egzotermiczne zachodzą w warunkach zbliżonych do adiabatycznych.Tak więc kalorymetria przyspieszona (ARC) jest szeroko stosowaną techniką symulującą środowisko wewnątrz LIB, co ułatwia zrozumienie kinetyki niekontrolowanej reakcji termicznej.Rysunek 2pokazuje typową krzywą ARC LIB zarejestrowaną podczas testów nadużyć termicznych.Symulując wzrost temperatury w etapie 2, zewnętrzne źródło ciepła podnosi temperaturę akumulatora do temperatury początkowej.Powyżej tej temperatury SEI rozkłada się, co powoduje bardziej egzotermiczne reakcje chemiczne.W końcu separator się stopi.Szybkość samonagrzewania wzrośnie później, prowadząc do niestabilności termicznej (gdy szybkość samonagrzewania wynosi >10°C/min) i spalania elektrolitu (etap 3).
Anoda to grafit z mikrokulek mezowęglowych.Katoda to LiNi0,8Co0,05Al0,05O2.Elektrolit to 1,2 M LiPF6 w EC/PC/DMC.Zastosowano trójwarstwowy separator Celgard 2325.Zaadaptowane za zgodą Electrochemical Society Inc.
Należy zauważyć, że zilustrowane powyżej reakcje nie następują ściśle jedna po drugiej w podanej kolejności.Są to raczej złożone i systematyczne kwestie.
MATERIAŁY O ZWIĘKSZONYM BEZPIECZEŃSTWIE BATERII
Opierając się na zrozumieniu niestabilności termicznej akumulatora, analizuje się wiele podejść w celu zmniejszenia zagrożeń bezpieczeństwa poprzez racjonalne projektowanie elementów akumulatora.W kolejnych sekcjach podsumowujemy różne podejścia materiałowe do poprawy bezpieczeństwa baterii, rozwiązując problemy odpowiadające różnym etapom niestabilności termicznej.
Aby rozwiązać problemy w etapie 1 (początek przegrzania)
Niezawodne materiały anodowe.Tworzenie się dendrytów Li na anodzie LIB inicjuje pierwszy etap niekontrolowanej temperatury.Chociaż problem ten został złagodzony w anodach komercyjnych LIB (na przykład anodach węglowych), tworzenie dendrytów Li nie zostało całkowicie zahamowane.Na przykład, w komercyjnych LIB, osadzanie dendrytów występuje preferencyjnie na krawędziach elektrod grafitowych, jeśli anody i katody nie są dobrze sparowane.Ponadto niewłaściwe warunki pracy LIB mogą również skutkować osadzaniem się metalu Li ze wzrostem dendrytów.Powszechnie wiadomo, że dendryt można łatwo uformować, jeśli akumulator jest ładowany (i) przy dużych gęstościach prądu, gdzie osadzanie metalu Li jest szybsze niż dyfuzja jonów Li w graficie masowym;(ii) w warunkach przeładowania, gdy grafit jest nadmiernie zlitowany;oraz (iii) w niskich temperaturach [na przykład temperatura poniżej otoczenia (~0°C)], ze względu na zwiększoną lepkość ciekłego elektrolitu i zwiększoną odporność na dyfuzję litowo-jonową.
Z punktu widzenia właściwości materiałów źródłem determinującym początek wzrostu dendrytów Li na anodzie jest niestabilny i nierównomierny SEI, co powoduje nierównomierny lokalny rozkład prądu.Składniki elektrolitu, zwłaszcza dodatki, zostały zbadane w celu poprawy jednorodności SEI i wyeliminowania tworzenia się dendrytów Li.Typowe dodatki obejmują związki nieorganiczne [na przykład CO2, LiI, itp.] i związki organiczne zawierające nienasycone wiązania węglowe, takie jak dodatki węglan winylu i maleimid;niestabilne cząsteczki cykliczne, takie jak butyrolakton, siarczyn etylenu i ich pochodne;oraz związki fluorowane, takie jak między innymi węglan fluoroetylenu.Nawet na poziomie części na milion cząsteczki te mogą nadal poprawiać morfologię SEI, homogenizując w ten sposób strumień Li-ion i eliminując możliwość tworzenia dendrytów Li.
Ogólnie rzecz biorąc, wyzwania związane z dendrytami Li są nadal obecne w anodach grafitowych lub węglowych oraz anodach nowej generacji zawierających krzem/SiO.Rozwiązanie problemu wzrostu dendrytów Li jest wyzwaniem, które ma kluczowe znaczenie dla adaptacji chemii litowo-jonowej o wysokiej gęstości energii w najbliższej przyszłości.Należy zauważyć, że ostatnio włożono znaczne wysiłki w rozwiązanie problemu tworzenia dendrytów Li w czystych anodach z metalu Li przez homogenizację strumienia Li-jonów podczas osadzania Li;na przykład powlekanie warstwą ochronną, sztuczna inżynieria SEI itp. W tym aspekcie niektóre metody mogłyby rzucić światło na sposób rozwiązania problemu anod węglowych również w LIB.
Wielofunkcyjne płynne elektrolity i separatory.Ciekły elektrolit i separator odgrywają kluczową rolę w fizycznym oddzielaniu wysokoenergetycznej katody i anody.Dzięki temu dobrze zaprojektowane wielofunkcyjne elektrolity i separatory mogą znacząco chronić akumulatory na wczesnym etapie niestabilności termicznej akumulatorów (etap 1).
Aby chronić akumulatory przed mechanicznym zgnieceniem, uzyskano płynny elektrolit zagęszczający się ścinaniem przez proste dodanie zmatowionej krzemionki do elektrolitu węglanowego (1 M LiFP6 w EC/DMC).Pod wpływem nacisku mechanicznego lub uderzenia płyn wykazuje efekt zagęszczania ścinającego ze wzrostem lepkości, w ten sposób rozpraszając energię uderzenia i wykazując tolerancję na zgniatanie (Rys. 3A)
Rys. 3 Strategie rozwiązywania problemów w etapie 1.
(A) Elektrolit zagęszczający ścinanie.U góry: W przypadku normalnego elektrolitu uderzenia mechaniczne mogą prowadzić do wewnętrznego zwarcia akumulatora, powodując pożary i wybuchy.U dołu: Nowatorski inteligentny elektrolit z efektem zagęszczania ścinaniem pod wpływem nacisku lub uderzenia wykazuje doskonałą tolerancję na zgniatanie, co może znacznie poprawić bezpieczeństwo mechaniczne akumulatorów.(B) Separatory dwufunkcyjne do wczesnego wykrywania dendrytów litu.Tworzenie się dendrytów w tradycyjnej baterii litowej, w której całkowite przebicie separatora przez dendryt litu jest wykrywane tylko wtedy, gdy bateria ulegnie awarii z powodu wewnętrznego zwarcia.Dla porównania bateria litowa z dwufunkcyjnym separatorem (składającym się z warstwy przewodzącej umieszczonej pomiędzy dwoma konwencjonalnymi separatorami), w której zarośnięty dendryt litu penetruje separator i styka się z przewodzącą warstwą miedzi, powodując spadekVCu-Li, który służy jako ostrzeżenie o zbliżającej się awarii spowodowanej wewnętrznym zwarciem.Jednak pełna bateria pozostaje bezpiecznie działająca z niezerowym potencjałem.(A) i (B) są adaptowane lub powielane za zgodą firmy Springer Nature.(C) Separator trójwarstwowy do pochłaniania niebezpiecznych dendrytów Li i wydłużania żywotności baterii.Po lewej: Anody litowe mogą łatwo tworzyć osady dendrytyczne, które mogą stopniowo powiększać się i przenikać do separatora obojętnego polimeru.Kiedy dendryty w końcu łączą katodę i anodę, bateria jest zwarta i ulega awarii.Po prawej: Warstwa nanocząstek krzemionki została umieszczona pomiędzy dwiema warstwami komercyjnych separatorów polimerowych.Dlatego też, gdy dendryty litu rosną i penetrują separator, stykają się z nanocząsteczkami krzemionki w warstwie przekładkowej i ulegają elektrochemicznemu zużyciu.(D) Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) separatora warstwowego z nanocząstkami krzemionki.(E) Typowy przebieg napięcia w funkcji czasu akumulatora Li/Li z konwencjonalnym separatorem (krzywa czerwona) i trójwarstwowym separatorem warstwowym nanocząstek krzemionki (krzywa czarna) testowanych w tych samych warunkach.(C), (D) i (E) są reprodukowane za zgodą John Wiley and Sons.(F) Schematyczna ilustracja mechanizmów dodatków wahadłowych redoks.Na przeładowanej powierzchni katody dodatek redoks utlenia się do postaci [O], która następnie zostaje zredukowana z powrotem do swojego pierwotnego stanu [R] na powierzchni anody przez dyfuzję przez elektrolit.Cykl elektrochemiczny utleniania-dyfuzji-redukcji-dyfuzji może być utrzymywany w nieskończoność, a tym samym blokuje potencjał katody przed niebezpiecznym przeładowaniem.(G) Typowe struktury chemiczne dodatków wahadłowych redoks.(H) Mechanizm dodatków przeładowania wyłączającego, które mogą polimeryzować elektrochemicznie przy wysokich potencjałach.(I) Typowe struktury chemiczne dodatków przeładowania po wyłączeniu.Potencjały robocze dodatków są wymienione pod każdą strukturą molekularną w (G), (H) i (I).
Separatory mogą elektronicznie izolować katodę i anodę oraz odgrywać ważną rolę w monitorowaniu stanu akumulatora in situ, aby zapobiec dalszemu niszczeniu po etapie 1. Na przykład „separator dwufunkcyjny” z konfiguracją trójwarstwową polimer-metal-polimer (Rys. 3B) może zapewnić nową funkcję wykrywania napięcia.Kiedy dendryt wyrośnie i dotrze do warstwy pośredniej, połączy warstwę metalową i anodę w taki sposób, że nagły spadek napięcia między nimi może zostać natychmiast wykryty jako sygnał wyjściowy.
Oprócz wykrywania, trójwarstwowy separator został zaprojektowany do pochłaniania niebezpiecznych dendrytów Li i spowalniania ich wzrostu po przeniknięciu do separatora.Warstwa nanocząstek krzemionki, umieszczona pomiędzy dwiema warstwami komercyjnych separatorów poliolefinowych (Rys. 3, C i D), mogą zużywać wszelkie penetrujące niebezpieczne dendryty Li, skutecznie poprawiając w ten sposób bezpieczeństwo baterii.Żywotność chronionej baterii została znacznie wydłużona, około pięciokrotnie w porównaniu z bateriami konwencjonalnymi (Rys. 3E).
Ochrona przeładowania.Przeładowanie definiuje się jako ładowanie akumulatora powyżej zaprojektowanego napięcia.Przeładowanie może być wywołane wysokimi gęstościami prądu, agresywnymi profilami ładowania itp., które mogą powodować szereg problemów, w tym (i) osadzanie się metalu Li na anodzie, co poważnie wpływa na wydajność elektrochemiczną i bezpieczeństwo akumulatora;(ii) rozkład materiału katodowego z uwolnieniem tlenu;oraz (iii) rozkład elektrolitu organicznego z uwolnieniem ciepła i produktów gazowych (H2, węglowodory, CO, itp.), które są odpowiedzialne za niekontrolowaną temperaturę.Reakcje elektrochemiczne podczas rozkładu są skomplikowane, niektóre z nich wymieniono poniżej.
Gwiazdka (*) oznacza, że gazowy wodór pochodzi z protonu, grup opuszczających generowanych podczas utleniania węglanów na katodzie, które następnie dyfundują do anody w celu redukcji i generują H2.
Na podstawie różnic w ich funkcjach, dodatki zabezpieczające przed przeładowaniem można sklasyfikować jako dodatki redox shuttle i dodatki wyłączające.Pierwsza z nich odwracalnie chroni ogniwo przed przeładowaniem, a druga na stałe kończy pracę ogniwa.
Dodatki wahadłowe Redox działają poprzez elektrochemiczne przetaczanie nadmiaru ładunku wstrzykiwanego do akumulatora w przypadku wystąpienia przeładowania.Jak pokazano wRys. 3F, mechanizm opiera się na dodatku redoks, który ma potencjał utleniania nieco niższy niż rozkład anodowy elektrolitu.Na przeładowanej powierzchni katody dodatek redoks utlenia się do postaci [O], która następnie zostaje zredukowana z powrotem do swojego pierwotnego stanu [R] na powierzchni anody po dyfuzji przez elektrolit.Następnie zredukowany dodatek może dyfundować z powrotem do katody, a cykl elektrochemiczny „utlenianie-dyfuzja-redukcja-dyfuzja” może być utrzymywany w nieskończoność, a tym samym blokuje potencjał katody przed dalszym niebezpiecznym przeładowaniem.Badania wykazały, że potencjał redoks dodatków powinien wynosić około 0,3 do 0,4 V powyżej potencjału katody.
Opracowano szereg dodatków o dobrze dopasowanej strukturze chemicznej i potencjałach redoks, w tym metaloceny metaloorganiczne , fenotiazyny , trifenyloaminy , dimetoksybenzeny i ich pochodne oraz 2-(pentafluorofenylo)-tetrafluoro-1,3,2-benzodioksaborol (Rys. 3G).Dostosowując struktury molekularne, dodatkowe potencjały utleniania można dostroić do wartości powyżej 4 V, co jest odpowiednie dla szybko rozwijających się wysokonapięciowych materiałów katodowych i elektrolitów.Podstawowa zasada projektowania polega na obniżeniu największej zajętej orbity molekularnej dodatku poprzez dodanie substytutów odciągających elektrony, co prowadzi do wzrostu potencjału utleniającego.Poza dodatkami organicznymi, niektóre sole nieorganiczne, które nie tylko mogą pełnić funkcję soli elektrolitu, ale również mogą służyć jako transporter redoks, takie jak sole klasterowe perfluoroboranu [czyli fluorodekaborany litu (Li2B12FxH12−x)], również okazały się skutecznymi dodatkami wahadłowymi redoks.
Dodatki zapobiegające przeładowaniu to klasa nieodwracalnych dodatków zabezpieczających przed przeładowaniem.Działają one albo poprzez uwalnianie gazu o wysokich potencjałach, co z kolei aktywuje urządzenie przerywające prąd, albo przez trwałą polimeryzację elektrochemiczną przy wysokich potencjałach w celu zakończenia pracy akumulatora przed wystąpieniem katastrofalnych skutków (Rys. 3H).Przykłady tych pierwszych obejmują ksylen , cykloheksylobenzen i bifenyl , podczas gdy przykłady tych ostatnich obejmują bifenyl i inne podstawione związki aromatyczne (Rys. 3I).Negatywne skutki dodatków wyłączających to nadal długotrwała wydajność pracy i przechowywania LIB ze względu na nieodwracalne utlenianie tych związków.
Aby rozwiązać problemy w etapie 2 (akumulacja ciepła i proces uwalniania gazu)
Niezawodne materiały katodowe.tlenki litowych metali przejściowych, takie jak tlenki warstwowe LiCoO2, LiNiO2 i LiMnO2;tlenek typu spinelu LiM2O4;a polianion typu LiFePO4 są powszechnie stosowanymi materiałami katodowymi, które jednak mają problemy z bezpieczeństwem, zwłaszcza w wysokich temperaturach.Wśród nich stosunkowo bezpieczny jest LiFePO4 o strukturze oliwinu, który jest stabilny do 400°C, natomiast LiCoO2 zaczyna się rozkładać w 250°C.Powodem poprawy bezpieczeństwa LiFePO4 jest to, że wszystkie jony tlenu tworzą silne wiązania kowalencyjne z P5+, tworząc tetraedryczne polianiony PO43−, które stabilizują cały trójwymiarowy szkielet i zapewniają lepszą stabilność w porównaniu z innymi materiałami katodowymi, chociaż nadal zgłoszono kilka wypadków związanych z pożarem baterii.Główny problem bezpieczeństwa wynika z rozkładu tych materiałów katodowych w podwyższonych temperaturach i jednoczesnego uwalniania tlenu, co razem może prowadzić do spalania i eksplozji, poważnie zagrażając bezpieczeństwu baterii.Na przykład struktura krystaliczna warstwowego tlenku LiNiO2 jest niestabilna z powodu istnienia Ni2+, którego wielkość jonowa jest zbliżona do Li+.Zniszczona LixNiO2 (x< 1) ma tendencję do przekształcania się w bardziej stabilną fazę typu spinel LiNi2O4 (spinel) i NiO typu soli kamiennej, z tlenem uwalnianym do ciekłego elektrolitu w temperaturze około 200°C, co prowadzi do spalania elektrolitu.
Podjęto znaczne wysiłki w celu poprawy stabilności termicznej tych materiałów katodowych poprzez domieszkowanie atomów i powłoki ochronne powierzchni.
Domieszkowanie atomów może znacznie zwiększyć stabilność termiczną warstwowych materiałów tlenkowych dzięki wynikowym ustabilizowanym strukturom krystalicznym.Stabilność termiczną LiNiO2 lub Li1,05Mn1,95O4 można znacznie poprawić poprzez częściowe zastąpienie Ni lub Mn innymi kationami metali, takimi jak Co, Mn, Mg i Al.W przypadku LiCoO2 wprowadzenie domieszek i pierwiastków stopowych, takich jak Ni i Mn, może drastycznie zwiększyć temperaturę początku rozkładuTdec, jednocześnie unikając reakcji z elektrolitem w wysokich temperaturach.Jednak ogólnie wzrost stabilności termicznej katody wiąże się ze spadkiem pojemności właściwej.Aby rozwiązać ten problem, opracowano materiał katodowy o gradiencie stężenia do akumulatorów litowych oparty na warstwowym tlenku manganu litowo-niklowo-kobaltowego (Rys. 4A) .W tym materiale, każda cząstka ma centralną masę bogatą w Ni i bogatą w Mn warstwę zewnętrzną, ze zmniejszającym się stężeniem Ni i rosnącym stężeniem Mn i Co w miarę zbliżania się do powierzchni (Rys. 4B).Pierwsza zapewnia wysoką wydajność, a druga poprawia stabilność termiczną.Wykazano, że ten nowatorski materiał katodowy poprawia bezpieczeństwo akumulatorów bez uszczerbku dla ich wydajności elektrochemicznej (Rys. 4C).
Rys. 4 Strategie rozwiązywania problemów w etapie 2: Niezawodne katody.
(A) Schemat ideowy cząstki elektrody dodatniej z rdzeniem bogatym w Ni otoczony zewnętrzną warstwą o gradiencie stężenia.Każda cząstka ma bogatą w nik centralną masę Li(Ni0,8Co0,1Mn0,1)O2 i bogatą w Mn warstwę zewnętrzną [Li(Ni0,8Co0,1Mn0,1)O2] o malejącym stężeniu Ni i rosnącym stężeniu Mn i Co w miarę zbliżania się do powierzchni.Pierwsza zapewnia wysoką wydajność, a druga poprawia stabilność termiczną.Przeciętny skład to Li(Ni0,68Co0,18Mn0,18)O2.Po prawej stronie pokazano również skaningową mikrografię elektronową typowej cząstki.(B) Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej za pomocą sondy elektronowej końcowego litowanego tlenku Li(Ni0,64Co0,18Mn0,18)O2.Widoczne są stopniowe zmiany stężenia Ni, Mn i Co w międzywarstwie.Stężenie Ni spada, a stężenia Co i Mn rosną w kierunku powierzchni.(C) Ślady różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) pokazujące przepływ ciepła z reakcji elektrolitu z materiałem gradientowym Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, materiałem centralnym bogatym w Ni Li(Ni0.8Co0.1Mn0). 1)O2 oraz warstwa zewnętrzna bogata w Mn [Li(Ni0,46Co0,23Mn0,31)O2].Materiały zostały naładowane napięciem 4,3 V. (A), (B) i (C) są powielane za zgodą firmy Springer Nature.(D) Po lewej: Obraz jasnego pola z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) LiCoO2 pokrytego nanocząstkami AlPO4;spektrometria rentgenowska z dyspersją energii potwierdza zawartość składników Al i P w warstwie powłoki.Po prawej: obraz TEM o wysokiej rozdzielczości przedstawiający nanocząstki AlPO4 (średnica ~3 nm) w warstwie powłoki w nanoskali;strzałki wskazują granicę między warstwą AlPO4 a LiCoO2.(E) Po lewej: Zdjęcie ogniwa zawierającego nieosłoniętą katodę LiCoO2 po teście przeładowania 12 V.Ogniwo spaliło się i eksplodowało przy tym napięciu.Po prawej: zdjęcie ogniwa zawierającego LiCoO2 pokryte nanocząstkami AlPO4 po teście przeładowania 12 V.(D) i (E) są reprodukowane za zgodą John Wiley and Sons.
Inną strategią poprawy stabilności termicznej jest powlekanie materiału katody cienką ochronną warstwą termostabilnych związków przewodzących Li+, co może zapobiegać bezpośredniemu kontaktowi materiałów katodowych z elektrolitem, a tym samym zmniejszać reakcje uboczne i wytwarzanie ciepła.Powłoki mogą być albo filmami nieorganicznymi [na przykład ZnO , Al2O3, AlPO4 , AlF3 , itp.], które mogą przewodzić jony Li po litowaniu (Rys. 4, D i E) lub folie organiczne, takie jak poli(chlorek diallilodimetyloamoniowy), folie ochronne utworzone przez dodatki γ-butyrolaktonu i dodatki wieloskładnikowe (składające się z węglanu winylu, siarczynu 1,3-propylenu i dimetyloacetamidu).
Wprowadzenie powłoki o dodatnim współczynniku temperaturowym jest również skuteczne dla zwiększenia bezpieczeństwa katody.Na przykład katody LiCoO2 pokryte poli(3-decylotiofenem) mogą zatrzymać reakcje elektrochemiczne i reakcje uboczne, gdy temperatura wzrośnie do >80°C, ponieważ przewodząca warstwa polimeru może szybko przejść do stanu o wysokiej rezystancji.Powłoki samokończących się oligomerów o hiperrozgałęzionej architekturze mogą również działać jako termicznie reagująca warstwa blokująca, która odcina baterię od strony katody.
Termicznie przełączany kolektor prądu.Wyłączenie reakcji elektrochemicznych podczas wzrostu temperatury akumulatora na etapie 2 może skutecznie zapobiec dalszemu wzrostowi temperatury.Szybki i odwracalny termoczuły przełącznik polimerowy (TRPS) został wbudowany wewnętrznie w kolektor prądu (Rys. 5A) .Cienka folia TRPS składa się z przewodzących, pokrytych grafenem, kolczastych cząstek nanostrukturalnego niklu (GrNi) jako wypełniacza przewodzącego oraz matrycy PE o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej (α ~ 10−4 K−1).Folie z kompozytu polimerowego w stanie surowym wykazują wysoką przewodność (σ) w temperaturze pokojowej, ale gdy temperatura zbliża się do temperatury przełączania (Ts), przewodność spada w ciągu 1 s o siedem do ośmiu rzędów wielkości w wyniku rozszerzenia objętości polimeru, co oddziela cząstki przewodzące i przerywa ścieżki przewodzące (Rys. 5B).Folia natychmiast staje się izolująca, a tym samym kończy pracę na baterii (Rys. 5C).Proces ten jest wysoce odwracalny i może działać nawet po wielu przypadkach przegrzania bez pogorszenia wydajności.
Rys. 5 Strategie rozwiązywania problemów w etapie 2.
(A) Schematyczna ilustracja mechanizmu przełączania termicznego kolektora prądu TRPS.Bezpieczna bateria posiada jeden lub dwa odbieraki prądu pokryte cienką warstwą TRPS.Działa normalnie w temperaturze pokojowej.Jednak w przypadku wysokiej temperatury lub dużego prądu, matryca polimerowa rozszerza się, oddzielając w ten sposób cząstki przewodzące, co może zmniejszyć jej przewodność, znacznie zwiększając jej rezystancję i wyłączając akumulator.W ten sposób konstrukcja baterii może być chroniona bez uszkodzeń.Po schłodzeniu polimer kurczy się i odzyskuje pierwotne ścieżki przewodzące.(B) Zmiany rezystywności różnych folii TRPS w funkcji temperatury, w tym PE/GrNi z różnymi obciążeniami GrNi i PP/GrNi z 30% (v/v) obciążeniem GrNi.(C) Podsumowanie pojemności bezpiecznego cyklu pracy akumulatora LiCoO2 w temperaturze od 25°C do wyłączenia.Prawie zerowa wydajność w temperaturze 70°C wskazuje na pełne wyłączenie.(A), (B) i (C) są reprodukowane za zgodą firmy Springer Nature.(D) Schematyczne przedstawienie koncepcji wyłączania LIB opartej na mikrosferach.Elektrody są funkcjonalizowane za pomocą termoczułych mikrosfer, które powyżej krytycznej temperatury wewnętrznej baterii przechodzą przemianę termiczną (topią się).Stopione kapsułki pokrywają powierzchnię elektrody, tworząc jonową barierę izolacyjną i wyłączając ogniwo akumulatora.(E) Cienką i samonośną nieorganiczną membranę kompozytową złożoną z 94% cząstek tlenku glinu i 6% spoiwa kauczuku butadienowo-styrenowego (SBR) przygotowano metodą odlewania z roztworu.Po prawej: Fotografie przedstawiające stabilność termiczną nieorganicznego separatora kompozytowego i separatora PE.Separatory utrzymywano w 130°C przez 40 min.PE znacznie skurczył się od obszaru z kropkowanym kwadratem.Jednak separator kompozytowy nie wykazywał wyraźnego skurczu.Reprodukowano za zgodą Elsevier.(F) Struktura molekularna niektórych polimerów o wysokiej temperaturze topnienia jako materiałów rozdzielających o niskim skurczu w wysokiej temperaturze.Góra: poliimid (PI).Środek: celuloza.Dół: tereftalan poli(butylenu).(G) Po lewej: Porównanie widm DSC PI z separatorem PE i PP;separator PI wykazuje doskonałą stabilność termiczną w zakresie temperatur od 30° do 275°C.Po prawej: zdjęcia z aparatu cyfrowego porównujące zwilżalność separatora komercyjnego i separatora PI po syntezie z elektrolitem węglanu propylenu.Reprodukowano za zgodą Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
Separatory termiczne.Inną strategią zapobiegania ucieczce termicznej akumulatorów podczas etapu 2 jest zamknięcie ścieżki przewodzenia jonów litu przez separator.Separatory są kluczowymi elementami zapewniającymi bezpieczeństwo LIB, ponieważ zapobiegają bezpośredniemu kontaktowi elektrycznemu między wysokoenergetyczną katodą a materiałami anodowymi, jednocześnie umożliwiając transport jonów.PP i PE są najczęściej używanymi materiałami, ale mają słabą stabilność termiczną, z temperaturami topnienia odpowiednio ~165° i ~135°C.W przypadku komercyjnego LIB, skomercjalizowano już separatory o trójwarstwowej strukturze PP/PE/PP, gdzie PE jest ochronną warstwą środkową.Gdy temperatura wewnętrzna akumulatora wzrasta powyżej temperatury krytycznej (~130°C), porowata warstwa PE częściowo się topi, zamykając pory folii i zapobiegając migracji jonów w ciekłym elektrolicie, podczas gdy warstwa PP zapewnia mechaniczne wsparcie, aby uniknąć wewnętrznego zwarcie .Alternatywnie, indukowane termicznie wyłączenie LIB można również osiągnąć za pomocą termoczułych mikrosfer z PE lub wosku parafinowego jako warstwy ochronnej anod akumulatora lub separatorów.Gdy temperatura wewnętrzna akumulatora osiągnie wartość krytyczną, mikrosfery topią się i pokrywają anodę/separator nieprzepuszczalną barierą, zatrzymując transport Li-ion i na stałe wyłączając ogniwo (Rys. 5D).
Separatory o wysokiej stabilności termicznej.Aby poprawić stabilność termiczną separatorów baterii, w ciągu ostatnich kilku lat opracowano dwa podejścia:
(1) Separatory wzmocnione ceramiką, wytwarzane przez bezpośrednie powlekanie lub nanoszenie na powierzchni warstw ceramicznych, takich jak SiO2 i Al2O3 na istniejących powierzchniach separatora poliolefinowego, lub przez osadzanie proszków ceramicznych w materiałach polimerowych (Rys. 5E), wykazują bardzo wysokie temperatury topnienia i wysoką wytrzymałość mechaniczną, a także mają stosunkowo wysoką przewodność cieplną.Niektóre separatory kompozytowe wyprodukowane w ramach tej strategii zostały skomercjalizowane, takie jak Separion (nazwa handlowa).
(2) Zmiana materiałów separatora z poliolefin na polimery o wysokiej temperaturze topnienia o niskim skurczu po podgrzaniu, takie jak poliimid, celuloza, poli(tereftalan butylenu) i inne analogiczne poli(estry), to kolejna skuteczna strategia poprawy stabilności termicznej separatorów (Rys. 5F).Na przykład poliimid jest polimerem termoutwardzalnym, powszechnie uważanym za obiecującą alternatywę ze względu na doskonałą stabilność termiczną (stabilną w temperaturze powyżej 400°C), dobrą odporność chemiczną, wysoką wytrzymałość na rozciąganie, dobrą zwilżalność elektrolitem i ognioodporność (Rys. 5G) .
Pakiety akumulatorów z funkcją chłodzenia.Systemy zarządzania temperaturą w skali urządzenia, dzięki cyrkulacji powietrza lub chłodzenia cieczą, zostały wykorzystane do poprawy wydajności baterii i spowolnienia wzrostu temperatury.Ponadto w pakiety akumulatorów wbudowano materiały zmieniające fazę, takie jak wosk parafinowy, które działają jak radiator regulujący ich temperaturę, zapobiegając w ten sposób nadużywaniu temperatury.
Aby rozwiązać problemy w etapie 3 (spalanie i wybuch)
Ciepło, tlen i paliwo, znane jako „trójkąt ognia”, są niezbędnymi składnikami większości pożarów.Wraz z akumulacją ciepła i tlenu wytworzonych podczas etapów 1 i 2 paliwo (czyli wysoce łatwopalne elektrolity) automatycznie zacznie się spalać.Zmniejszenie palności rozpuszczalników elektrolitowych ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa akumulatorów i dalszych zastosowań LIB na dużą skalę.
Dodatki zmniejszające palność.Ogromne wysiłki badawcze poświęcono opracowaniu dodatków zmniejszających palność w celu obniżenia palności ciekłych elektrolitów .Większość dodatków uniepalniających stosowanych w ciekłych elektrolitach jest oparta na organicznych związkach fosforu lub organicznych związkach chlorowcowanych.Ponieważ halogeny są niebezpieczne dla środowiska i zdrowia ludzi, organiczne związki fosforu są bardziej obiecującymi kandydatami na dodatki zmniejszające palność ze względu na ich wysoką zdolność zmniejszania palności i przyjazność dla środowiska.Typowe organiczne związki fosforu obejmują fosforan trimetylu, fosforan trifenylu, bis(2-metoksyetoksy)metyloallilofosfonian, fosforyn tris(2,2,2-trifluoroetylu), (etoksy)pentafluorocyklotrifosfazen, fosforan etylenoetylu itp. (Rys. 6A).Ogólnie uważa się, że mechanizm efektu ognioodporności tych związków zawierających fosfor jest procesem chemicznego wymiatania rodników.Podczas spalania cząsteczki zawierające fosfor mogą rozkładać się na wolne rodniki zawierające fosfor, które następnie mogą zakańczać rodniki (na przykład rodniki H i OH) powstające podczas propagacji reakcji łańcuchowej, które są odpowiedzialne za ciągłe spalanie (Rys. 6, B i C).Niestety, zmniejszenie palności przez dodanie tych środków zmniejszających palność zawierających fosfor odbywa się kosztem wydajności elektrochemicznej.Aby poprawić ten kompromis, inni badacze dokonali pewnych modyfikacji w ich strukturze molekularnej: (i) częściowe fluorowanie fosforanów alkilu może poprawić ich stabilność redukcyjną i skuteczność zmniejszania palności;(ii) zastosowanie związków posiadających zarówno właściwości błonotwórcze, jak i opóźniające palenie, takich jak bis(2-metoksyetoksy)metyloallilofosfonian , w których grupy allilowe mogą polimeryzować i tworzyć stabilną warstwę SEI na powierzchniach grafitowych, skutecznie zapobiegając w ten sposób niebezpiecznej stronie reakcje;(iii) zmiana fosforanu P(V) na fosforyny P(III), które ułatwiają tworzenie SEI i są zdolne do dezaktywacji niebezpiecznego PF5 [na przykład fosforyn tris(2,2,2-trifluoroetylu)];oraz (iv) zastąpienie dodatków fosforoorganicznych cyklicznymi fosfazenami, zwłaszcza fluorowanym cyklofosfazenem, które mają zwiększoną kompatybilność elektrochemiczną.
Rys. 6 Strategie rozwiązywania problemów w etapie 3.
(A) Typowe struktury molekularne dodatków zmniejszających palność.(B) Ogólnie uważa się, że mechanizm efektu ognioodporności tych związków zawierających fosfor jest chemicznym procesem wymiatania rodników, który może zakończyć rodnikowe reakcje łańcuchowe odpowiedzialne za reakcję spalania w fazie gazowej.TPP, fosforan trifenylu.(C) Czas samogaśnięcia (SET) typowego elektrolitu węglanowego można znacznie skrócić przez dodanie fosforanu trifenylu.(D) Schemat „inteligentnego” elektrowirującego separatora o właściwościach zmniejszających palność wyzwalania termicznego dla LIB.Separator wolnostojący zbudowany jest z mikrowłókien o strukturze rdzeń-powłoka, gdzie rdzeń stanowi środek zmniejszający palność, a powłoką polimer.Po wyzwoleniu termicznym powłoka polimerowa topi się, a następnie zamknięty środek zmniejszający palność jest uwalniany do elektrolitu, skutecznie tłumiąc w ten sposób zapłon i spalanie elektrolitów.(E) Obraz SEM mikrowłókien TPP@PVDF-HFP po wytrawieniu wyraźnie pokazuje ich strukturę rdzeń-powłoka.Skala, 5 μm.(F) Typowe struktury molekularne cieczy jonowej o temperaturze pokojowej stosowanej jako niepalne elektrolity w LIB.(G) Struktura molekularna PFPE, niepalnego perfluorowanego analogu PEO.Dwie grupy węglanu metylu są modyfikowane na końcach łańcuchów polimerowych, aby zapewnić kompatybilność molekuł z obecnymi systemami akumulatorów.
Należy zauważyć, że zawsze istnieje kompromis między zmniejszoną palnością elektrolitu a wydajnością ogniwa dla wymienionych dodatków, chociaż ten kompromis został poprawiony dzięki powyższym projektom molekularnym.Inna proponowana strategia rozwiązania tego problemu polega na wprowadzeniu środka zmniejszającego palność do ochronnej polimerowej powłoki mikrowłókien, które są następnie układane w stos, tworząc separator włókninowy (Rys. 6D) .Dla LIB stworzono nowatorski elektrowirowany separator z włókniny z mikrowłókien o właściwościach ognioodpornych wyzwalanych termicznie.Zamknięcie środka zmniejszającego palność wewnątrz ochronnej powłoki polimerowej zapobiega bezpośredniej ekspozycji środka zmniejszającego palność na elektrolit, zapobiegając negatywnemu wpływowi środków zmniejszających palność na wydajność elektrochemiczną akumulatora (Rys. 6E).Jeśli jednak nastąpi niestabilność termiczna akumulatora LIB, powłoka z kopolimeru poli(fluorku winylidenu-heksafluoropropylenu) (PVDF-HFP) stopi się wraz ze wzrostem temperatury.Następnie kapsułkowany środek zmniejszający palność fosforan trifenylu zostanie uwolniony do elektrolitu, skutecznie tłumiąc w ten sposób spalanie wysoce łatwopalnych elektrolitów.
Aby rozwiązać ten dylemat, opracowano również koncepcję „elektrolitu skoncentrowanego w soli”.Te organiczne elektrolity gaśnicze do akumulatorów zawierają LiN(SO2F)2 jako sól i popularny środek zmniejszający palność fosforanu trimetylu (TMP) jako jedyny rozpuszczalnik.Spontaniczne tworzenie wytrzymałego nieorganicznego SEI pochodzącego z soli na anodzie ma kluczowe znaczenie dla stabilnej wydajności elektrochemicznej.Ta nowatorska strategia może zostać rozszerzona na różne inne środki zmniejszające palność i może otworzyć nową drogę do opracowania nowych rozpuszczalników zmniejszających palność dla bezpieczniejszych LIB.
Niepalne płynne elektrolity.Ostatecznym rozwiązaniem problemów bezpieczeństwa elektrolitu byłoby opracowanie samoistnie niepalnych elektrolitów.Jedną z grup niepalnych elektrolitów, która została szeroko przebadana, są ciecze jonowe, zwłaszcza ciecze jonowe o temperaturze pokojowej, które są nielotne (brak wykrywalnej prężności par poniżej 200 ° C) i niepalne oraz mają szerokie okno temperaturowe (Rys. 6F) .Jednak nadal potrzebne są ciągłe badania w celu rozwiązania problemów związanych z niską wydajnością wynikającą z ich wysokiej lepkości, małej liczby przenoszenia Li, niestabilności katodowej lub redukcyjnej oraz wysokich kosztów cieczy jonowych.
Hydrofluoroetery o małej masie cząsteczkowej to kolejna klasa niepalnych ciekłych elektrolitów ze względu na ich wysoką lub brak temperatury zapłonu, niepalność, niskie napięcie powierzchniowe, niską lepkość, niską temperaturę zamarzania itp.Należy opracować właściwy projekt molekularny, aby dostosować ich właściwości chemiczne do kryteriów elektrolitów akumulatorowych.Interesującym przykładem, który został ostatnio zgłoszony, jest perfluoropolieter (PFPE), analog perfluorowanego tlenku polietylenu (PEO), który jest dobrze znany ze swojej niepalności (Rys. 6G) .Dwie grupy węglanu metylu są modyfikowane na końcowych grupach łańcuchów PFPE (PFPE-DMC), aby zapewnić kompatybilność cząsteczek z obecnymi systemami akumulatorów.Zatem niepalność i stabilność termiczna PFPE mogą znacznie poprawić bezpieczeństwo LIB, jednocześnie zwiększając liczbę przenoszenia elektrolitu dzięki unikalnej konstrukcji struktury molekularnej.
Etap 3 jest ostatnim, ale szczególnie kluczowym etapem niekontrolowanego procesu termicznego.Należy zauważyć, że chociaż włożono wiele wysiłku w zmniejszenie palności najnowocześniejszego elektrolitu ciekłego, zastosowanie nielotnych elektrolitów w stanie stałym jest bardzo obiecujące.Elektrolity stałe dzielą się głównie na dwie kategorie: nieorganiczne elektrolity ceramiczne [siarczki, tlenki, azotki, fosforany itp.] oraz stałe elektrolity polimerowe [mieszanki soli Li z polimerami, takimi jak poli(tlenek etylenu), poliakrylonitryl itp.].Wysiłki zmierzające do ulepszenia elektrolitów stałych nie będą tutaj szczegółowo omawiane, ponieważ temat ten został już dobrze podsumowany w kilku ostatnich przeglądach.
PERSPEKTYWY
W przeszłości opracowano wiele nowatorskich materiałów w celu poprawy bezpieczeństwa baterii, chociaż problem nie został jeszcze całkowicie rozwiązany.Ponadto mechanizmy leżące u podstaw problemów z bezpieczeństwem różnią się w zależności od składu chemicznego baterii.Dlatego należy zaprojektować określone materiały dostosowane do różnych akumulatorów.Wierzymy, że bardziej wydajne metody i dobrze zaprojektowane materiały pozostają do odkrycia.Tutaj podajemy kilka możliwych kierunków przyszłych badań nad bezpieczeństwem baterii.
Po pierwsze, ważne jest opracowanie metod in situ lub in operando do wykrywania i monitorowania wewnętrznych warunków zdrowotnych LIB.Na przykład niekontrolowany proces termiczny jest ściśle powiązany ze wzrostem temperatury wewnętrznej lub ciśnienia w LIB.Jednak rozkład temperatury wewnątrz akumulatorów jest dość złożony i potrzebne są metody precyzyjnego monitorowania wartości elektrolitów i elektrod oraz separatorów.W związku z tym możliwość pomiaru tych parametrów dla różnych komponentów ma kluczowe znaczenie dla diagnozowania, a tym samym zapobiegania zagrożeniom bezpieczeństwa baterii.
Stabilność termiczna separatorów ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa baterii.Nowo opracowane polimery o wysokich temperaturach topnienia skutecznie zwiększają integralność termiczną separatora.Jednak ich właściwości mechaniczne są nadal gorsze, co znacznie zmniejsza ich przetwarzalność podczas montażu baterii.Ponadto cena jest również ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy praktycznych zastosowaniach.
Opracowanie stałych elektrolitów wydaje się być ostatecznym rozwiązaniem problemów związanych z bezpieczeństwem LIB.Stały elektrolit znacznie zmniejszy możliwość wewnętrznego zwarcia akumulatora, a także ryzyko pożarów i wybuchów.Chociaż włożono wiele wysiłku w rozwój elektrolitów stałych, ich wydajność nadal pozostaje daleko w porównaniu z elektrolitami ciekłymi.Kompozyty elektrolitów nieorganicznych i polimerowych wykazują ogromny potencjał, ale wymagają delikatnego zaprojektowania i przygotowania.Podkreślamy, że odpowiednie zaprojektowanie interfejsów nieorganiczno-polimerowych i inżynieria ich wyrównania są kluczowe dla wydajnego transportu litowo-jonowego.
Należy zauważyć, że płynny elektrolit nie jest jedynym palnym składnikiem akumulatora.Na przykład, gdy LIB są bardzo naładowane, palne litowane materiały anodowe (na przykład litowany grafit) również stanowią duży problem z punktu widzenia bezpieczeństwa.Środki zmniejszające palność, które mogą skutecznie opóźniać pożary materiałów w stanie stałym, są bardzo potrzebne w celu zwiększenia ich bezpieczeństwa.Środki zmniejszające palność można mieszać z grafitem w postaci spoiw polimerowych lub struktur przewodzących.
Bezpieczeństwo baterii to dość złożony i wyrafinowany problem.Przyszłość bezpieczeństwa akumulatorów wymaga dalszych wysiłków w zakresie podstawowych badań mechanistycznych w celu głębszego zrozumienia, oprócz bardziej zaawansowanych metod charakteryzowania, które mogą dostarczyć dalszych informacji pomocnych w projektowaniu materiałów.Chociaż niniejszy przegląd koncentruje się na bezpieczeństwie na poziomie materiałów, należy zauważyć, że nadal potrzebne jest całościowe podejście do rozwiązania problemu bezpieczeństwa LIB, w którym materiały, komponenty i format ogniw oraz moduł i pakiety akumulatorów odgrywają równą rolę, aby zapewnić niezawodność akumulatorów przed są wypuszczane na rynek.
ODNIESIENIA I UWAGI
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, Materiały zapewniające bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Czas publikacji: 05-05-2021
