Muhtasari
Betri za Lithium-ion (LIBs) zinachukuliwa kuwa mojawapo ya teknolojia muhimu zaidi za kuhifadhi nishati.Kadiri msongamano wa nishati ya betri unavyoongezeka, usalama wa betri unakuwa muhimu zaidi ikiwa nishati itatolewa bila kukusudia.Ajali zinazohusiana na moto na milipuko ya LIBs hutokea mara kwa mara duniani kote.Baadhi zimesababisha tishio kubwa kwa maisha na afya ya binadamu na zimesababisha kukumbuka bidhaa nyingi na watengenezaji.Matukio haya ni vikumbusho kwamba usalama ni hitaji la lazima kwa betri, na masuala mazito yanahitaji kutatuliwa kabla ya utumizi wa siku zijazo wa mifumo ya betri ya nishati ya juu.Maoni haya yanalenga kufanya muhtasari wa misingi ya asili ya masuala ya usalama ya LIB na kuangazia maendeleo muhimu ya hivi majuzi katika uundaji nyenzo ili kuboresha usalama wa LIB.Tunatarajia kuwa Ukaguzi huu utahimiza uboreshaji zaidi katika usalama wa betri, hasa kwa LIB zinazoibuka zenye msongamano wa nishati nyingi.
CHIMBUKO LA MASUALA YA USALAMA WA MIGUU
Kioevu kikaboni elektroliti ndani ya LIBs kinaweza kuwaka.Mojawapo ya hitilafu mbaya zaidi za mfumo wa LIB ni tukio la kukimbia kwa mafuta, ambayo inachukuliwa kuwa sababu kuu ya wasiwasi wa usalama wa betri .Kwa ujumla, kukimbia kwa joto hutokea wakati mmenyuko wa exothermic unatoka nje ya udhibiti.Halijoto ya betri inapoongezeka hadi zaidi ya ~80°C, kasi ya athari ya kemikali isiyoweza joto ndani ya betri huongezeka na kuzidisha joto kwenye seli, hivyo kusababisha mzunguko wa maoni chanya.Halijoto inayoendelea kuongezeka inaweza kusababisha moto na milipuko, haswa kwa pakiti kubwa za betri.Kwa hiyo, kuelewa sababu na taratibu za kukimbia kwa joto kunaweza kuongoza muundo wa nyenzo za kazi ili kuboresha usalama na uaminifu wa LIBs.Mchakato wa kukimbia kwa mafuta unaweza kugawanywa katika hatua tatu, kama ilivyofupishwa katikaKielelezo cha 1.
Mtini. 1 Hatua tatu za mchakato wa kukimbia kwa joto.
Hatua ya 1: Mwanzo wa kuongezeka kwa joto.Betri hubadilika kutoka kwa kawaida hadi hali isiyo ya kawaida, na joto la ndani huanza kuongezeka.Hatua ya 2: Mkusanyiko wa joto na mchakato wa kutolewa kwa gesi.Joto la ndani huongezeka haraka, na betri hupata athari za exothermal.Hatua ya 3: Mwako na mlipuko.Elektroliti inayoweza kuwaka huwaka, na kusababisha moto na hata milipuko.
Kuanza kwa joto kupita kiasi (hatua ya 1)
Kukimbia kwa mafuta huanza kutokana na kuongezeka kwa joto kwa mfumo wa betri.Kuzidisha joto kwa awali kunaweza kutokea kama matokeo ya chaji ya betri zaidi ya voltage iliyoundwa (chaji zaidi), mfiduo wa joto kupita kiasi, saketi fupi za nje kwa sababu ya hitilafu ya wiring, au mizunguko fupi ya ndani kwa sababu ya kasoro za seli.Miongoni mwao, upungufu wa ndani ndio sababu kuu ya kukimbia kwa joto na ni ngumu kudhibiti.Upungufu wa ndani unaweza kutokea katika hali ya kuponda kwa seli kama vile kupenya kwa uchafu wa nje wa chuma;mgongano wa gari;malezi ya dendrite ya lithiamu chini ya malipo ya juu ya wiani wa sasa, chini ya hali ya juu ya malipo au kwa joto la chini;na vitenganishi vyenye dosari vilivyoundwa wakati wa kuunganisha betri, kutaja chache.Kwa mfano, mapema Oktoba 2013, gari la Tesla karibu na Seattle liligonga uchafu wa chuma ambao ulitoboa ngao na pakiti ya betri.Uchafu ulipenya watenganishaji wa polymer na kuunganisha moja kwa moja cathode na anode, na kusababisha betri kwa mzunguko mfupi na kuwaka moto;mnamo mwaka wa 2016, moto wa betri ya Samsung Note 7 ulitokana na kitenganishi chenye ukali chenye rangi nyembamba ambacho kiliharibiwa kwa urahisi na shinikizo la nje au viunzi vya kulehemu kwenye elektrodi chanya, na kusababisha betri kufanya kazi kwa muda mfupi .
Wakati wa hatua ya 1, utendakazi wa betri hubadilika kutoka hali ya kawaida hadi isiyo ya kawaida, na masuala yote yaliyoorodheshwa hapo juu yatasababisha betri kupata joto kupita kiasi.Wakati joto la ndani linapoanza kuongezeka, hatua ya 1 inaisha na hatua ya 2 huanza.
Mkusanyiko wa joto na mchakato wa kutolewa kwa gesi (hatua ya 2)
Hatua ya 2 inapoanza, joto la ndani huongezeka haraka, na betri hupata athari zifuatazo (athari hizi hazifanyiki kwa mpangilio uliopewa; zingine zinaweza kutokea wakati huo huo):
(1) Mtengano wa kipenyo cha elektroliti (SEI) kwa sababu ya joto kupita kiasi au kupenya kwa mwili .Safu ya SEI hujumuisha vijenzi thabiti (kama vile LiF na Li2CO3) na vinavyoweza kubadilikabadilika [kama vile polima, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2, na ROLi] vipengele.Hata hivyo, viambajengo vinavyoweza kumeta vinaweza kuoza kwa kiasi kikubwa kwa takriban >90°C, na kutoa gesi zinazoweza kuwaka na oksijeni.Chukua (CH2OCO2Li)2 kama mfano
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) Pamoja na mtengano wa SEI, joto huongezeka, na chuma cha lithiamu au lithiamu iliyoingiliana katika anode itaitikia pamoja na vimumunyisho vya kikaboni katika elektroliti, ikitoa gesi za hidrokaboni zinazowaka (ethane, methane, na wengine) .Huu ni mmenyuko wa hali ya joto ambao huendesha joto zaidi.
(3) WakatiT> ~ 130 ° C, kitenganishi cha polyethilini (PE)/polypropen (PP) huanza kuyeyuka, ambayo huharibu zaidi hali hiyo na kusababisha mzunguko mfupi kati ya cathode na anode.
(4) Hatimaye, joto husababisha mtengano wa nyenzo ya kathodi ya oksidi ya metali ya lithiamu na kusababisha kutolewa kwa oksijeni.Chukua LiCoO2 kama mfano, ambayo inaweza kuoza kuanzia ~180°C kama ifuatavyo
Kuvunjika kwa cathode pia ni kali sana, huongeza zaidi joto na shinikizo na, kwa sababu hiyo, kuharakisha zaidi athari.
Wakati wa hatua ya 2, joto huongezeka na oksijeni hujilimbikiza ndani ya betri.Mchakato wa kukimbia kwa mafuta huendelea kutoka hatua ya 2 hadi hatua ya 3 mara tu oksijeni na joto la kutosha kukusanyika kwa mwako wa betri.
Mwako na mlipuko (hatua ya 3)
Katika hatua ya 3, mwako huanza.Elektroliti za LIBs ni za kikaboni, ambazo ni karibu mchanganyiko wa cyclic na linear alkili carbonates.Zina tete ya juu na zinaweza kuwaka sana.Tukichukua elektroliti ya kaboni inayotumika sana [mchanganyiko wa ethilini kabonati (EC) + dimethyl carbonate (DMC) (1:1 kwa uzani)] kama mfano, inaonyesha shinikizo la mvuke la 4.8 kPa kwenye joto la kawaida na kiwango cha chini sana cha kumweka. ya 25° ± 1°C kwa shinikizo la hewa la 1.013 bar.Oksijeni na joto iliyotolewa katika hatua ya 2 hutoa hali zinazohitajika kwa mwako wa elektroliti za kikaboni zinazoweza kuwaka, na hivyo kusababisha hatari za moto au mlipuko.
Katika hatua ya 2 na 3, athari za exothermic hutokea chini ya hali ya karibu ya adiabatic.Kwa hivyo, kasi ya kasi ya kalori (ARC) ni mbinu inayotumika sana inayoiga mazingira ndani ya LIBs, ambayo hurahisisha uelewa wetu wa kinetiki za athari ya kukimbia kwa joto.Kielelezo cha 2inaonyesha mkunjo wa kawaida wa ARC wa LIB iliyorekodiwa wakati wa majaribio ya matumizi mabaya ya joto.Kuiga ongezeko la joto katika hatua ya 2, chanzo cha nje cha joto huongeza joto la betri hadi joto la mwanzo.Juu ya joto hili, SEI hutengana, ambayo itasababisha athari zaidi za kemikali za exothermic.Hatimaye, kitenganishi kitayeyuka.Kiwango cha kujipatia joto kitaongezeka baadaye, na kusababisha kukimbia kwa joto (wakati kiwango cha kujipatia joto ni> 10°C/min) na mwako wa elektroliti (hatua ya 3).
Anode ni grafiti ya mesocarbon microbead.Cathode ni LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.Elektroliti ni 1.2 M LiPF6 katika EC/PC/DMC.Kitenganishi cha safu tatu za Celgard 2325 kilitumika.Imerekebishwa kwa idhini kutoka kwa Electrochemical Society Inc.
Ikumbukwe kwamba athari zilizoonyeshwa hapo juu hazifanyiki moja baada ya nyingine kwa mpangilio uliopewa.Wao ni, badala yake, masuala magumu na ya utaratibu.
VIFAA VILIVYO BORESHA USALAMA WA BETRI
Kulingana na uelewa wa kukimbia kwa betri, mbinu nyingi zinachunguzwa, kwa lengo la kupunguza hatari za usalama kupitia muundo wa busara wa vipengele vya betri.Katika sehemu zinazofuata, tunatoa muhtasari wa mbinu mbalimbali za kuboresha usalama wa betri, kutatua matatizo yanayolingana na hatua tofauti za kukimbia kwa mafuta.
Ili kutatua matatizo katika hatua ya 1 (mwanzo wa overheating)
Nyenzo za anode za kuaminika.Uundaji wa Li dendrite kwenye anodi ya LIB huanzisha hatua ya kwanza ya kukimbia kwa joto.Ingawa suala hili limepunguzwa katika anodi za LIB za kibiashara (kwa mfano, anodi za kaboni), uundaji wa Li dendrite haujazuiwa kabisa.Kwa mfano, katika LIB za kibiashara, uwekaji wa dendrite hutokea kwa upendeleo kwenye kingo za elektrodi za grafiti ikiwa anodi na kathodi hazijaoanishwa vyema .Kwa kuongeza, hali isiyofaa ya uendeshaji wa LIB pia inaweza kusababisha utuaji wa chuma wa Li na ukuaji wa dendrite.Inajulikana kuwa dendrite inaweza kuundwa kwa urahisi ikiwa betri itachajiwa (i) kwa msongamano wa juu wa sasa ambapo uwekaji wa chuma Li ni haraka kuliko uenezaji wa ioni za Li katika grafiti nyingi;(ii) chini ya hali ya chaji kupita kiasi wakati grafiti imezidiwa;na (iii) katika halijoto ya chini [kwa mfano, halijoto ya chini kidogo (~0°C)], kutokana na kuongezeka kwa mnato wa elektroliti kioevu na kuongezeka kwa upinzani wa usambaaji wa Li-ioni .
Kutoka kwa mtazamo wa mali ya nyenzo, asili ya mizizi inayoamua mwanzo wa ukuaji wa Li dendrite kwenye anode ni SEI isiyo imara na isiyo ya kawaida, ambayo husababisha usambazaji wa sasa wa ndani.Vipengele vya elektroliti, haswa viungio, vimechunguzwa ili kuboresha usawa wa SEI na kuondoa uundaji wa Li dendrite.Viungio vya kawaida ni pamoja na misombo isokaboni [kwa mfano, CO2 , LiI , n.k.] na misombo ya kikaboni iliyo na vifungo vya kaboni isokefu kama vile viungio vya vinylene carbonate na maleimide;molekuli za mzunguko zisizo imara kama vile butyrolactone, ethylene sulfite, na viambajengo vyake;na misombo ya florini kama vile kaboni ya fluoroethilini, kati ya zingine.Hata katika kiwango cha sehemu-kwa-milioni, molekuli hizi bado zinaweza kuboresha mofolojia ya SEI, na hivyo kufanya homogenizing flux ya Li-ion na kuondoa uwezekano wa malezi ya Li dendrite.
Kwa ujumla, changamoto za Li dendrite bado zipo katika anodi za grafiti au kaboni na silikoni/SiO iliyo na anodi za kizazi kijacho.Kutatua suala la ukuaji wa Li dendrite ni changamoto ambayo ni muhimu kwa urekebishaji wa kemia zenye msongamano mkubwa wa nishati ya Li-ion katika siku za usoni.Ikumbukwe kwamba, hivi karibuni, juhudi kubwa zimetolewa kutatua suala la uundaji wa Li dendrite katika anodi za metali safi za Li kwa kurekebisha mtiririko wa Li-ion wakati wa utuaji wa Li;kwa mfano, mipako ya safu ya kinga, uhandisi bandia wa SEI, n.k. Katika kipengele hiki, baadhi ya mbinu zinaweza kutoa mwanga kuhusu jinsi ya kushughulikia suala hilo kwenye anodi za kaboni katika LIB pia.
Electroliti za kioevu zenye kazi nyingi na vitenganishi.Electroliti ya kioevu na kitenganishi hucheza jukumu muhimu katika kutenganisha cathode ya nishati ya juu na anode.Kwa hivyo, elektroliti na vitenganishi vilivyoundwa vizuri vinaweza kulinda betri katika hatua ya awali ya kukimbia kwa mafuta (hatua ya 1).
Ili kulinda betri kutokana na kusagwa kwa mitambo, elektroliti ya kioevu ya unene wa shear imepatikana kwa kuongeza silika yenye mafusho kwenye elektroliti ya kaboni (1 M LiFP6 katika EC/DMC) .Juu ya shinikizo la mitambo au athari, giligili huonyesha athari ya unene wa shear na ongezeko la mnato, kwa hivyo huondoa nishati ya athari na kuonyesha uvumilivu kwa kusagwa (Kielelezo 3A)
Mtini. 3 Mikakati ya kutatua masuala katika hatua ya 1.
(A) Shear thickening electrolyte.Juu: Kwa elektroliti ya kawaida, athari ya kiufundi inaweza kusababisha upungufu wa ndani wa betri, na kusababisha moto na milipuko.Chini: Riwaya ya elektroliti mahiri yenye athari ya unene wa kunyoa chini ya shinikizo au athari inaonyesha ustahimilivu bora wa kusagwa, ambayo inaweza kuboresha usalama wa kiufundi wa betri kwa kiasi kikubwa.(B) Vitenganishi vinavyofanya kazi mbili kwa utambuzi wa mapema wa dendrites za lithiamu.Uundaji wa dendrite katika betri ya jadi ya lithiamu, ambapo kupenya kamili kwa kitenganishi kwa dendrite ya lithiamu hugunduliwa tu wakati betri inashindwa kwa sababu ya mzunguko mfupi wa ndani.Kwa kulinganisha, betri ya lithiamu iliyo na kitenganishi kinachofanya kazi mara mbili (iliyo na safu ya uendeshaji iliyowekwa kati ya vitenganishi viwili vya kawaida), ambapo dendrite ya lithiamu iliyokua hupenya kitenganishi na kuwasiliana na safu ya shaba inayofanya kazi, na kusababisha kushuka.VCu−Li, ambayo hutumika kama onyo la kutofaulu kunakokaribia kwa sababu ya mzunguko mfupi wa ndani.Hata hivyo, betri kamili inaendelea kufanya kazi kwa usalama na uwezo usio na uwezo.(A) na (B) zimebadilishwa au kutolewa tena kwa ruhusa kutoka kwa Springer Nature.(C) Kitenganishi cha safu tatu ili kutumia Li dendrites hatari na kuongeza muda wa matumizi ya betri.Kushoto: Anodi za Lithiamu zinaweza kuunda amana za dendritic kwa urahisi, ambazo zinaweza kukua polepole zaidi na kupenya kitenganishi cha polima ajizi.Wakati dendrites hatimaye kuunganisha cathode na anode, betri ni mfupi-circuited na inashindwa.Kulia: Safu ya nanoparticles ya silika iliwekwa na tabaka mbili za vitenganishi vya polima vya kibiashara.Kwa hiyo, wakati dendrites za lithiamu zinakua na kupenya kitenganishi, zitawasiliana na nanoparticles za silika kwenye safu iliyopangwa na kutumiwa kwa electrochemically.(D) Picha ya kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM) ya kitenganishi kilicho ndani ya nanoparticle silika.(E) Wasifu wa kawaida wa voltage dhidi ya wakati wa betri ya Li/Li yenye kitenganishi cha kawaida (curve nyekundu) na kitenganishi cha silika nanoparticle kilichowekwa kwenye safu tatu (curve nyeusi) iliyojaribiwa katika hali sawa.(C), (D), na (E) zimetolewa kwa ruhusa kutoka kwa John Wiley na Wana.(F) Mchoro wa kimkakati wa mifumo ya viongezeo vya kuhamisha redox.Kwenye uso wa cathode iliyojaa chaji nyingi, kiongeza cha redoksi hutiwa oksidi hadi umbo [O], ambayo baadaye itapunguzwa hadi kwenye hali yake ya asili [R] kwenye uso wa anodi kwa kueneza kupitia elektroliti.Mzunguko wa kielektroniki wa uenezaji-usambazaji-upunguzaji wa oksidi unaweza kudumishwa kwa muda usiojulikana na hivyo kufunga uwezo wa cathode kutokana na chaji hatari kupita kiasi.(G) Miundo ya kawaida ya kemikali ya viungio vya kuhamisha redox.(H) Utaratibu wa viungio vya chaji ya ziada ambayo inaweza kupolimisha kielektroniki kwa uwezo wa juu.(I) Miundo ya kawaida ya kemikali ya viungio vya malipo ya ziada ya kuzimwa.Uwezo wa kufanya kazi wa viungio umeorodheshwa chini ya kila muundo wa molekuli katika (G), (H), na (I).
Vitenganishi vinaweza kuhami kielektroniki cathode na anode na kuwa na jukumu muhimu katika kufuatilia hali ya afya ya betri katika situ ili kuzuia kuzorota zaidi wakati uliopita wa hatua ya 1. Kwa mfano, "kitenganishi kisichofanya kazi mbili" kilicho na usanidi wa trilayer ya polymer-metal-polima (Kielelezo 3B) inaweza kutoa kitendakazi kipya cha kuhisi voltage.Wakati dendrite inakua nje na kufikia safu ya kati, itaunganisha safu ya chuma na anode ili kushuka kwa ghafla kwa voltage kati yao kunaweza kugunduliwa mara moja kama pato.
Kando na utambuzi, kitenganishi cha safu tatu kiliundwa ili kutumia Li dendrites hatari na kupunguza kasi ya ukuaji wao baada ya kupenya kitenganishi .Safu ya nanoparticles ya silika, iliyowekwa na tabaka mbili za vitenganishi vya polyolefini vya kibiashara (Kielelezo cha 3, C na D), inaweza kutumia Li dendrites hatari zinazopenya, hivyo kuboresha usalama wa betri kwa ufanisi.Maisha ya betri iliyolindwa yaliongezwa kwa kiasi kikubwa kwa takriban mara tano ikilinganishwa na kuwa na vitenganishi vya kawaida (Kielelezo 3E).
Ulinzi wa chaji kupita kiasi.Kuchaji zaidi kunafafanuliwa kama kuchaji betri zaidi ya voltage yake iliyoundwa.Kuchaji zaidi kunaweza kuchochewa na msongamano wa hali ya juu wa sasa, wasifu wa kuchaji kwa fujo, n.k., jambo ambalo linaweza kuleta msururu wa matatizo, ikiwa ni pamoja na (i) uwekaji wa chuma cha Li kwenye anodi, ambayo huathiri pakubwa utendaji na usalama wa betri ya kemikali ya kielektroniki;(ii) mtengano wa nyenzo za cathode, ikitoa oksijeni;na (iii) kuoza kwa elektroliti hai, kutoa joto na bidhaa za gesi (H2, hidrokaboni, CO, nk.), ambazo huwajibika kwa kukimbia kwa joto .Athari za electrochemical wakati wa mtengano ni ngumu, baadhi yao yameorodheshwa hapa chini.
Nyota (*) inaashiria kwamba gesi ya hidrojeni hutoka kwa protiki, na kuacha vikundi vinavyozalishwa wakati wa oxidation ya carbonates kwenye cathode, ambayo kisha huenea kwa anodi ili kupunguzwa na kuzalisha H2.
Kwa msingi wa tofauti za kazi zao, viungio vya ulinzi wa malipo ya ziada vinaweza kuainishwa kama viungio vya redox na viungio vya kuzima.Ya kwanza hulinda seli dhidi ya malipo ya ziada kwa njia ya kurekebishwa, huku ya pili inasimamisha utendakazi wa seli kabisa.
Viongezeo vya kuhamisha redox hufanya kazi kwa kuzuia kielektroniki chaji ya ziada inayodungwa kwenye betri wakati malipo ya ziada yanapotokea.Kama inavyoonyeshwa katikaKielelezo cha 3F, utaratibu huo unatokana na nyongeza ya redoksi ambayo ina uwezo wa oksidi chini kidogo kuliko ule wa mtengano wa anodi ya elektroliti.Kwenye uso wa cathode iliyojaa chaji nyingi, kiongeza cha redoksi hutiwa oksidi hadi umbo [O], ambayo baadaye itapunguzwa hadi kwenye hali yake ya asili [R] kwenye uso wa anodi baada ya kueneza kupitia elektroliti.Baadaye, kiongeza kilichopunguzwa kinaweza kueneza nyuma kwenye cathode, na mzunguko wa elektroni wa "usambazaji wa oxidation-diffusion-reduction-diffusion" unaweza kudumishwa kwa muda usiojulikana na hivyo kufuli uwezo wa cathode kutokana na chaji hatari zaidi.Uchunguzi umeonyesha kuwa uwezo wa redox wa viungio unapaswa kuwa 0.3 hadi 0.4 V juu ya uwezo wa cathode.
Msururu wa viungio vilivyo na miundo ya kemikali iliyolengwa vyema na uwezo wa redoksi umetengenezwa, ikiwa ni pamoja na metallocene ya organometallic , phenothiazines , triphenylamines , dimethoxybenzenes na viambajengo vyake , na 2-(pentafluorophenyl) -tetrafluoro-1,3,2-benzodiodioKielelezo cha 3G)Kwa kurekebisha miundo ya molekuli, uwezo wa kuongeza oksidi unaweza kupangwa hadi zaidi ya 4 V, ambayo inafaa kwa vifaa vya cathode vya juu-voltage na elektroliti zinazoendelea.Kanuni ya msingi ya usanifu inahusisha kupunguza obiti ya molekuli ya juu zaidi inayokaliwa na nyongeza kwa njia ya kuongeza vibadala vya kutoa elektroni, na kusababisha kuongezeka kwa uwezo wa oksidi.Kando na viungio vya kikaboni, baadhi ya chumvi zisizo za kikaboni, ambazo sio tu zinaweza kufanya kazi kama chumvi ya elektroliti lakini pia zinaweza kutumika kama chombo cha redox, kama vile chumvi za nguzo za perfluoroborane [hiyo ni, lithiamu fluorododecaborates (Li2B12F).xH12−x)], pia zimepatikana kuwa viungio bora vya kuhamisha redox .
Viongezeo vya kutoza malipo ya ziada ni aina ya viungio visivyoweza kutenduliwa vya ulinzi wa malipo ya ziada.Hufanya kazi ama kwa kutoa gesi kwa uwezo wa juu, ambayo, kwa upande wake, huwasha kifaa cha kukatiza cha sasa, au kwa upolimishaji wa kudumu wa kielektroniki kwa uwezo wa juu ili kusitisha operesheni ya betri kabla ya matokeo mabaya kutokea (Mtini. 3H)Mifano ya awali ni pamoja na xylene , cyclohexylbenzene, na biphenyl , wakati mifano ya hizi za mwisho ni pamoja na biphenyl na viambato vingine vya kunukia vilivyobadilishwa (Mtini. 3I)Madhara mabaya ya viambajengo vya kuzima bado ni utendakazi wa muda mrefu na utendaji wa uhifadhi wa LIBs kwa sababu ya oxidation isiyoweza kutenduliwa ya misombo hii.
Ili kutatua shida katika hatua ya 2 (mkusanyiko wa joto na mchakato wa kutolewa kwa gesi)
Vifaa vya kuaminika vya cathode.Oksidi za metali za mpito za lithiamu, kama vile oksidi za tabaka LiCoO2, LiNiO2, na LiMnO2;oksidi ya aina ya spinel LiM2O4;na aina ya polyanion LiFePO4, ni nyenzo maarufu za cathode, ambazo, hata hivyo, zina masuala ya usalama hasa kwa joto la juu.Miongoni mwao, LiFePO4 ya muundo wa olivine ni salama kiasi, ambayo ni imara hadi 400 ° C, wakati LiCoO2 huanza kuharibika kwa 250 ° C.Sababu ya kuboreshwa kwa usalama wa LiFePO4 ni kwamba ioni zote za oksijeni huunda vifungo vikali vya ushirikiano na P5+ ili kuunda polyanions PO43- tetrahedral, ambayo huweka utulivu wa mfumo mzima wa tatu-dimensional na kutoa uthabiti ulioboreshwa ikilinganishwa na vifaa vingine vya cathode, ingawa bado kuna. kumekuwa na baadhi ya ajali za moto za betri zimeripotiwa.Wasiwasi mkubwa wa usalama hutokana na mtengano wa nyenzo hizi za cathode katika joto la juu na kutolewa kwa oksijeni kwa wakati mmoja, ambayo kwa pamoja inaweza kusababisha mwako na milipuko, na kuhatarisha usalama wa betri.Kwa mfano, muundo wa kioo wa oksidi ya layered LiNiO2 ni imara kwa sababu ya kuwepo kwa Ni2+, ukubwa wa ionic ambao ni sawa na Li+.Li aliyepoteza fahamuxNiO2 (x1
Jitihada kubwa zimefanywa ili kuboresha uthabiti wa joto wa vifaa hivi vya cathode kwa kutumia doping ya atomi na mipako ya kinga ya uso.
Udoping wa atomu unaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa uthabiti wa mafuta wa nyenzo za oksidi zilizowekwa kwa sababu ya miundo ya fuwele iliyoimarishwa.Uthabiti wa halijoto wa LiNiO2 au Li1.05Mn1.95O4 unaweza kuboreshwa kwa kiasi kikubwa kwa kubadilisha Ni au Mn badala ya kani nyingine za chuma, kama vile Co, Mn, Mg na Al .Kwa LiCoO2, kuanzishwa kwa vipengele vya doping na alloying kama vile Ni na Mn kunaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa joto la mwanzo la mtengano.TDesemba, wakati pia kuzuia athari na elektroliti kwenye joto la juu.Hata hivyo, ongezeko la utulivu wa mafuta ya cathode kwa ujumla huja na dhabihu katika uwezo maalum.Ili kutatua tatizo hili, nyenzo ya cathode ya ukolezi-gradient kwa betri za lithiamu zinazoweza kuchajiwa kulingana na oksidi ya manganese ya lithiamu nikeli ya cobalt imetengenezwa.Kielelezo 4A).Katika nyenzo hii, kila chembe ina wingi wa kati wa Ni-tajiri na safu ya nje ya Mn-tajiri, na kupungua kwa mkusanyiko wa Ni na kuongeza viwango vya Mn na Co kadiri uso unavyokaribia.Kielelezo 4B)Ya kwanza hutoa uwezo wa juu, ambapo mwisho huboresha utulivu wa joto.Nyenzo hii ya riwaya ya cathode ilionyeshwa kuboresha usalama wa betri bila kuathiri utendaji wao wa kielektroniki (Kielelezo 4C).
Mtini. 4 Mikakati ya kutatua masuala katika hatua ya 2: Cathodes ya kuaminika.
(A) Mchoro wa mpangilio wa chembe chanya ya elektrodi yenye msingi wa Ni-tajiri uliozungukwa na safu ya nje ya ukolezi-gradient.Kila chembe ina wingi wa kati wa Ni-tajiri Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 na safu ya nje ya Mn-tajiri [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] yenye kupungua kwa mkusanyiko wa Ni na kuongeza viwango vya Mn na Co. kama uso unakaribia.Ya kwanza hutoa uwezo wa juu, ambapo mwisho huboresha utulivu wa joto.Utungaji wastani ni Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.Maikrografu ya elektroni ya kuchanganua ya chembe ya kawaida pia inaonyeshwa upande wa kulia.(B) Matokeo ya uchanganuzi mdogo wa eksirei ya eksirei ya oksidi ya lithiati ya mwisho Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2.Mabadiliko ya mkusanyiko wa taratibu ya Ni, Mn, na Co katika mwingiliano yanaonekana.Mkusanyiko wa Ni hupungua, na viwango vya Co na Mn huongezeka kuelekea uso.(C) Uchanganuzi tofauti wa kalori (DSC) hufuatilia unaoonyesha mtiririko wa joto kutoka kwa mmenyuko wa elektroliti yenye nyenzo ya mkusanyiko-gradient Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, nyenzo kuu ya Ni-rich Li(Ni0.8Co0.1Mn0. 1)O2, na safu ya nje ya Mn-tajiri [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].Nyenzo zilitozwa kwa 4.3 V. (A), (B), na (C) zimetolewa tena kwa ruhusa kutoka kwa Springer Nature.(D) Kushoto: hadubini ya elektroni ya usambazaji (TEM) picha ya uga nyangavu ya LiCoO2 ya nanoparticle ya AlPO4-iliyofunikwa;spectrometry ya eksirei ya kutawanya inathibitisha vipengele vya Al na P katika safu ya mipako.Kulia: Picha ya TEM ya ubora wa juu inayoonyesha nanoparticles za AlPO4 (~3 nm kwa kipenyo) katika safu ya mipako ya nanoscale;mishale inaonyesha kiolesura kati ya safu ya AlPO4 na LiCoO2.(E) Kushoto: Picha ya seli iliyo na kathodi tupu ya LiCoO2 baada ya jaribio la 12-V ya malipo ya ziada.Seli iliungua na kulipuka kwa voltage hiyo.Kulia: Picha ya seli iliyo na AlPO4 nanoparticle-iliyopakwa LiCoO2 baada ya jaribio la kutoza zaidi ya 12-V.(D) na (E) zimetolewa kwa idhini kutoka kwa John Wiley na Wana.
Mkakati mwingine wa kuboresha uthabiti wa mafuta ni kupaka nyenzo za cathode na safu nyembamba ya kinga ya misombo ya kufanya Li+, ambayo inaweza kuzuia mguso wa moja kwa moja wa vifaa vya cathode na elektroliti na hivyo kupunguza athari za upande na kizazi cha joto.Mipako inaweza kuwa filamu za isokaboni [kwa mfano, ZnO , Al2O3, AlPO4 , AlF3, nk.], ambayo inaweza kufanya ioni za Li baada ya kuwa lithiated (Kielelezo cha 4, D na E), au filamu za kikaboni, kama vile poly(diallyldimethylammonium chloride) , filamu za kinga zinazoundwa na viungio vya γ-butyrolactone , na viungio vya vipengele vingi (vinavyojumuisha vinylene carbonate, 1,3-propylene sulfite, na dimethylacetamide) .
Kuanzisha mipako yenye mgawo mzuri wa joto pia inafaa kwa kuongeza usalama wa cathode.Kwa mfano, kathodi za poli(3-decylthiophene)–zilizopakwa LiCoO2 zinaweza kuzima athari za kielektroniki na athari za upande mara tu halijoto inapopanda hadi >80°C, kwani safu ya polima inayopitisha inaweza kubadilika haraka hadi katika hali ya kustahimili hali ya juu.Mipako ya oligomeri zinazojiondoa zenye usanifu wa matawi makubwa pia inaweza kufanya kazi kama safu ya kuzuia inayojibu joto ili kuzima betri kutoka upande wa cathode.
Kikusanyaji cha sasa kinachoweza kubadilishwa kwa joto.Kuzima kwa athari za kielektroniki wakati wa ongezeko la joto la betri katika hatua ya 2 kunaweza kuzuia halijoto kuongezeka zaidi.Kibadilishaji cha polima cha haraka na inayoweza kutenduliwa (TRPS) kimejumuishwa ndani ya kikusanyaji cha sasa (Kielelezo 5A).Filamu nyembamba ya TRPS ina chembe chembe chembe chembe za nikeli nanomuundo wa graphene (GrNi) zinazopitisha umeme kama kichungio cha conductive na matrix ya PE yenye mgawo mkubwa wa upanuzi wa mafuta (α ~ 10−4 K−1).Filamu za muundo wa polima zilizotengenezwa kwa uundaji zinaonyesha upitishaji wa hali ya juu (σ) kwenye joto la kawaida, lakini halijoto inapokaribia joto la kubadilisha (Ts), conductivity hupungua ndani ya 1 s kwa amri saba hadi nane za ukubwa kama matokeo ya upanuzi wa kiasi cha polima, ambayo hutenganisha chembe za conductive na kuvunja njia za conductive (Kielelezo 5B)Filamu mara moja inakuwa ya kuhami na hivyo kusitisha operesheni ya betri (Kielelezo 5C)Mchakato huu unaweza kutenduliwa kwa kiwango kikubwa na unaweza kufanya kazi hata baada ya matukio mengi ya kuongeza joto bila kuathiri utendakazi.
Mtini. 5 Mikakati ya kutatua masuala katika hatua ya 2.
(A) Kielelezo cha kimkakati cha utaratibu wa kubadili joto wa mkusanyaji wa sasa wa TRPS.Betri salama ina mtoza mmoja au wawili wa sasa waliowekwa na safu nyembamba ya TRPS.Inafanya kazi kwa kawaida kwenye joto la kawaida.Hata hivyo, katika kesi ya joto la juu au sasa kubwa, matrix ya polymer hupanua, hivyo kutenganisha chembe za conductive, ambazo zinaweza kupunguza conductivity yake, kuongeza sana upinzani wake na kuzima betri.Kwa hivyo muundo wa betri unaweza kulindwa bila uharibifu.Wakati wa baridi, polima hupungua na kurejesha njia za awali za conductive.(B) Mabadiliko ya ustahimilivu wa filamu tofauti za TRPS kama utendaji wa halijoto, ikijumuisha PE/GrNi yenye upakiaji tofauti wa GrNi na PP/GrNi yenye upakiaji wa 30% (v/v) wa GrNi.(C) Muhtasari wa uwezo wa uendeshaji salama wa betri ya LiCoO2 kati ya 25°C na kuzimwa.Uwezo wa karibu sifuri katika 70 ° C unaonyesha kuzima kamili.(A), (B), na (C) zimetolewa tena kwa ruhusa kutoka kwa Springer Nature.(D) Uwakilishi wa kimkakati wa dhana ya kuzima kwa msingi wa ulimwengu kwa LIBs.Electrodi zinafanya kazi kwa kutumia vidubini vinavyoweza kujibu joto ambavyo, juu ya halijoto muhimu ya ndani ya betri, hupitia mpito wa mafuta (yeyuka).Vidonge vya kuyeyuka hufunika uso wa elektrodi, na kutengeneza kizuizi cha kuhami ioni na kuzima seli ya betri.(E) Utando mwembamba na unaojisimamia wa isokaboni unaojumuisha 94% ya chembe za alumina na 6% kifunga cha mpira wa styrene-butadiene (SBR) ulitayarishwa kwa njia ya utupaji wa suluhisho.Kulia: Picha zinazoonyesha uthabiti wa joto wa kitenganishi cha mchanganyiko wa isokaboni na kitenganishi cha PE.Vitenganishi vilifanyika kwa 130 ° C kwa dakika 40.PE ilipungua kwa kiasi kikubwa kutoka eneo kwa mraba wa alama.Walakini, kitenganishi cha mchanganyiko hakikuonyesha kupungua dhahiri.Imetolewa tena kwa idhini kutoka kwa Elsevier.(F) Muundo wa molekuli ya baadhi ya polima za halijoto inayoyeyuka kama nyenzo za kitenganishi zenye kupungua kwa halijoto ya chini.Juu: polyimide (PI).Katikati: selulosi.Chini: poly(butylene) terephthalate.(G) Kushoto: Ulinganisho wa mwonekano wa DSC wa PI na kitenganishi cha PE na PP;kitenganishi cha PI huonyesha uthabiti bora wa halijoto kutoka 30° hadi 275°C.Kulia: Picha za kamera dijitali zinazolinganisha unyevunyevu wa kitenganishi cha kibiashara na kitenganishi cha PI kilichosanisishwa na elektroliti ya kaboni ya propylene.Imetolewa tena kwa idhini kutoka kwa Jumuiya ya Kemikali ya Marekani.
Vitenganishi vya kuzima kwa joto.Mkakati mwingine wa kuzuia betri kutokana na kukimbia kwa mafuta wakati wa hatua ya 2 ni kuzima njia ya upitishaji ya ioni za Li kupitia kitenganishi.Vitenganishi ni vipengele muhimu kwa usalama wa LIB, kwani huzuia mguso wa moja kwa moja wa umeme kati ya cathode yenye nishati ya juu na vifaa vya anode huku kuruhusu usafiri wa ioni.PP na PE ni nyenzo zinazotumiwa zaidi, lakini zina uthabiti duni wa joto, na viwango vya kuyeyuka vya ~165° na ~135°C, mtawalia.Kwa LIB ya kibiashara, vitenganishi vilivyo na muundo wa trilayer PP/PE/PP tayari vimeuzwa, ambapo PE ni safu ya kati ya kinga.Wakati joto la ndani la betri linapoongezeka zaidi ya joto muhimu (~130 ° C), safu ya PE yenye vinyweleo huyeyuka kwa kiasi, kufunga vinyweleo vya filamu na kuzuia uhamaji wa ioni kwenye elektroliti ya kioevu, wakati safu ya PP hutoa usaidizi wa mitambo ili kuzuia ndani. upungufu.Vinginevyo, uzimaji wa LIB unaotokana na joto unaweza kupatikana kwa kutumia PE au vidude vidogo vya nta ya taa ya taa inayojibu joto kama safu ya ulinzi ya anodi au vitenganishi vya betri .Joto la ndani la betri linapofikia thamani muhimu, chembe ndogo huyeyuka na kufunika anodi/kitenganishi kwa kizuizi kisichopitika, kusimamisha usafiri wa Li-ion na kuzima seli kabisa (Mtini. 5D).
Vitenganishi vilivyo na utulivu wa juu wa mafuta.Ili kuboresha uthabiti wa joto wa vitenganishi vya betri, mbinu mbili zimetengenezwa katika miaka kadhaa iliyopita:
(1) Vitenganishi vilivyoimarishwa kauri, vilivyoundwa ama kwa kupaka moja kwa moja au ukuaji wa juu wa uso wa tabaka za kauri kama vile SiO2 na Al2O3 kwenye nyuso zilizopo za kitenganishi cha polyolefin au kwa kuwa na poda za kauri zilizopachikwa katika nyenzo za polima (Kielelezo 5E), onyesha viwango vya juu sana vya kuyeyuka na nguvu ya juu ya mitambo na pia kuwa na upitishaji wa juu wa mafuta.Baadhi ya vitenganishi vya mchanganyiko vilivyobuniwa kupitia mkakati huu vimeuzwa kibiashara, kama vile Separion (jina la biashara).
(2) Kubadilisha nyenzo za kitenganishi kutoka polyolefini hadi polima za halijoto ya juu-yeyuko na kupungua kwa chini inapokanzwa, kama vile polyimide, selulosi, poly(butylene) terephthalate, na poly(esta) zingine zinazofanana, ni mkakati mwingine mzuri wa kuboresha uthabiti wa joto. wa watenganishaji (Kielelezo cha 5F)Kwa mfano, polyimide ni polima ya thermosetting ambayo inachukuliwa sana kuwa mbadala mzuri kwa sababu ya uthabiti wake bora wa joto (imara zaidi ya 400 ° C), ukinzani mzuri wa kemikali, nguvu ya juu ya mkazo, unyevu mzuri wa elektroliti, na kutoweza kuwaka kwa moto.Mtini. 5G).
Vifurushi vya betri na kazi ya baridi.Mifumo ya udhibiti wa kiwango cha joto cha kifaa inayowezeshwa na mzunguko wa hewa au kupoeza kioevu imetumika kuboresha utendaji wa betri na kupunguza kasi ya ongezeko la joto.Zaidi ya hayo, nyenzo za kubadilisha awamu kama vile nta ya mafuta ya taa zimeunganishwa kwenye pakiti za betri ili kufanya kazi kama njia ya kudhibiti joto ili kudhibiti halijoto yao, hivyo basi kuepuka matumizi mabaya ya halijoto.
Ili kutatua matatizo katika hatua ya 3 (mwako na mlipuko)
Joto, oksijeni, na mafuta, inayojulikana kama "pembetatu ya moto," ni viambato muhimu kwa moto mwingi.Kwa mkusanyiko wa joto na oksijeni inayozalishwa wakati wa hatua ya 1 na 2, mafuta (yaani, elektroliti zinazowaka sana) itaanza kuwaka moja kwa moja.Kupunguza kuwaka kwa vimumunyisho vya elektroliti ni muhimu kwa usalama wa betri na matumizi makubwa zaidi ya LIBs.
Viongezeo vya kuzuia moto.Jitihada kubwa za utafiti zimetolewa ili kutengeneza viungio vinavyozuia moto ili kupunguza kuwaka kwa elektroliti kioevu.Viungio vingi vinavyozuia moto vinavyotumiwa katika elektroliti za kioevu hutegemea misombo ya kikaboni ya fosforasi au misombo ya kikaboni ya halojeni.Kwa vile halojeni ni hatari kwa mazingira na afya ya binadamu, misombo ya fosforasi ya kikaboni ni wagombea wenye kuahidi zaidi kama viungio vinavyozuia moto kwa sababu ya uwezo wao wa juu wa kuzuia moto na urafiki wa mazingira.Misombo ya kawaida ya fosforasi ya kikaboni ni pamoja na trimethyl fosfati, triphenyl phosphate , bis(2-methoxyethoxy)methylallylphosphonate , tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphite , (ethoxy)pentafluorocyclotriphosphazene , ethylene ethyl fosfati n.k.Kielelezo 6A)Utaratibu wa athari za uzuiaji wa moto wa misombo hii iliyo na fosforasi kwa ujumla inaaminika kuwa mchakato wa uokoaji wa kemikali.Wakati wa mwako, molekuli zilizo na fosforasi zinaweza kuoza na kuwa spishi zenye fosforasi-huru, ambazo zinaweza kumaliza radicals (kwa mfano, radicals H na OH) zinazozalishwa wakati wa uenezi wa mmenyuko wa mnyororo ambao huwajibika kwa mwako unaoendelea.Kielelezo cha 6, B na C).Kwa bahati mbaya, kupunguzwa kwa kuwaka kwa kuongezwa kwa retardants hizi za moto zenye fosforasi huja kwa gharama ya utendaji wa electrochemical.Ili kuboresha biashara hii, watafiti wengine wamefanya marekebisho fulani kwa muundo wao wa molekuli: (i) uangazaji kiasi wa fosfati za alkili kunaweza kuboresha uthabiti wao wa kupunguza na ufanisi wao wa kuchelewa kwa moto;(ii) matumizi ya misombo yenye sifa za uundaji filamu za kinga na kuzuia miali ya moto, kama vile bis(2-methoxyethoxy)methylallylphosphonate , ambapo vikundi shirikishi vinaweza kupolimisha na kuunda filamu thabiti ya SEI kwenye nyuso za grafiti, na hivyo kuzuia kwa ufanisi upande wa hatari. majibu;(iii) mabadiliko ya P(V) fosfeti hadi P(III) phosphites, ambayo hurahisisha uundaji wa SEI na yenye uwezo wa kulemaza PF5 hatari [kwa mfano, tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphite];na (iv) kubadilisha viambajengo vya oganofosforasi na fosfazene inayozunguka, hasa saiklofosfazene yenye florini, ambayo imeboresha upatanifu wa kielektroniki .
Mtini. 6 Mikakati ya kutatua masuala katika hatua ya 3.
(A) Miundo ya kawaida ya molekuli ya viungio vinavyozuia moto.(B) Utaratibu wa athari za kurudisha nyuma kwa mwali wa misombo hii iliyo na fosforasi kwa ujumla inaaminika kuwa mchakato wa uokoaji wa kemikali, ambao unaweza kukomesha athari kali za mlolongo unaohusika na mmenyuko wa mwako katika awamu ya gesi.TPP, triphenyl phosphate.(C) Muda wa kuzima (SET) wa electrolyte ya kawaida ya carbonate inaweza kupunguzwa kwa kiasi kikubwa kwa kuongeza ya phosphate ya triphenyl.(D) Mchoro wa kitenganishi cha “smart” cha elektrospun chenye sifa za kuzuia moto zinazowashwa kwa LIBs.Kitenganishi cha bure kinaundwa na microfibers na muundo wa msingi wa shell, ambapo retardant ya moto ni msingi na polima ni shell.Wakati wa kuchochea joto, ganda la polima linayeyuka na kisha kizuia moto kilichofunikwa hutolewa kwenye elektroliti, na hivyo kukandamiza kwa ufanisi kuwaka na kuungua kwa elektroliti.(E) Picha ya SEM ya nyuzi ndogo za TPP@PVDF-HFP baada ya kupachika inaonyesha wazi muundo wao wa ganda kuu.Upau wa mizani, 5 μm.(F) Miundo ya kawaida ya molekuli ya kioevu cha ioni cha joto la kawaida kinachotumika kama elektroliti zisizoweza kuwaka kwa LIBs.(G) Muundo wa molekuli ya PFPE, analogi ya PEO isiyoweza kuwaka.Vikundi viwili vya methyl carbonate vinarekebishwa kwenye vituo vya minyororo ya polima ili kuhakikisha utangamano wa molekuli na mifumo ya sasa ya betri.
Ikumbukwe kwamba kila mara kuna ubadilishanaji kati ya kupunguzwa kwa kuwaka kwa elektroliti na utendaji wa seli kwa viungio vilivyoorodheshwa, ingawa maelewano haya yameboreshwa kupitia miundo ya molekuli iliyo hapo juu .Mkakati mwingine uliopendekezwa wa kutatua tatizo hili unahusisha kujumuisha kizuia moto ndani ya ganda la polima la kinga la nyuzinyuzi ndogo, ambazo zimepangwa zaidi ili kuunda kitenganishi kisicho na kusuka.Kielelezo cha 6D).Kitenganishi cha riwaya cha electrospun nonwoven microfiber chenye sifa za kuzuia moto zinazowashwa na mafuta kilibuniwa kwa ajili ya LIB.Ufungaji wa kizuizi cha moto ndani ya ganda la polima ya kinga huzuia mfiduo wa moja kwa moja wa kirudishaji moto kwa elektroliti, kuzuia athari hasi kutoka kwa virudishaji nyuma kwenye utendaji wa elektrokemikali ya betri.Kielelezo 6E)Hata hivyo, ikiwa hali ya joto kupita kiasi ya betri ya LIB itatokea, ganda la poly(vinylidenefluoride-hexafluoro propylene) (PVDF-HFP) litayeyuka kadri halijoto inavyoongezeka.Kisha retardant ya moto ya triphenyl phosphate iliyofunikwa itatolewa kwenye electrolyte, na hivyo kukandamiza kwa ufanisi mwako wa elektroliti zinazowaka sana.
Dhana ya "elektroliti iliyokolea chumvi" pia ilitengenezwa ili kutatua tatizo hili.Elektroliti hizi za kikaboni za kuzimia moto kwa betri zinazoweza kuchajiwa zina LiN(SO2F)2 kama chumvi na kizuia miale maarufu cha trimethyl fosfati (TMP) kama kiyeyusho pekee.Uundaji wa papo hapo wa SEI dhabiti inayotokana na chumvi isokaboni kwenye anodi ni muhimu kwa utendaji thabiti wa kielektroniki.Mbinu hii ya riwaya inaweza kupanuliwa kwa vizuia moto vingine na inaweza kufungua njia mpya ya kutengeneza viyeyusho vipya vinavyozuia miali kwa LIBs salama zaidi.
Elektroliti za kioevu zisizoweza kuwaka.Suluhisho la mwisho kwa maswala ya usalama ya elektroliti litakuwa kuunda elektroliti zisizoweza kuwaka.Kundi moja la elektroliti zisizoweza kuwaka ambalo limechunguzwa kwa kina ni vimiminika vya ioni, hasa vimiminika vya ioni vya joto la kawaida, ambavyo havina tete (hakuna shinikizo la mvuke linaloweza kutambulika chini ya 200°C) na visivyoweza kuwaka na vina dirisha pana la joto.Kielelezo 6F).Hata hivyo, utafiti endelevu bado unahitajika ili kutatua masuala ya uwezo wa kiwango cha chini unaotokana na mnato wao wa juu, nambari ya chini ya uhamishaji wa Li, kutokuwa na utulivu wa cathodic au reductive, na gharama ya juu ya vimiminika vya ioni.
Hydrofluoroethers yenye uzito wa Masi ni darasa lingine la elektroliti za kioevu zisizoweza kuwaka kwa sababu ya kiwango cha juu au kisicho na moto, kisichoweza kuwaka, mvutano wa chini wa uso, mnato mdogo, joto la chini la kufungia, nk.Muundo sahihi wa molekuli unapaswa kufanywa ili kurekebisha tabia zao za kemikali ili kufikia vigezo vya elektroliti za betri.Mfano wa kufurahisha ambao umeripotiwa hivi majuzi ni perfluoropolyether (PFPE), analogi ya oksidi ya polyethilini yenye perfluorinated (PEO) ambayo inajulikana sana kwa kutowaka.Kielelezo 6G).Vikundi viwili vya methyl carbonate vinarekebishwa kwenye vikundi vya mwisho vya minyororo ya PFPE (PFPE-DMC) ili kuhakikisha utangamano wa molekuli na mifumo ya sasa ya betri.Kwa hivyo, kutowaka na uthabiti wa joto wa PFPEs kunaweza kuboresha usalama wa LIB kwa kiasi kikubwa huku ikiongeza nambari ya uhamishaji ya elektroliti kutokana na muundo wa kipekee wa molekuli.
Hatua ya 3 ni hatua ya mwisho lakini muhimu sana kwa mchakato wa kukimbia kwa joto.Ikumbukwe kwamba ingawa juhudi kubwa zimetolewa katika kupunguza kuwaka kwa elektroliti ya kioevu ya hali ya juu, utumiaji wa elektroliti za hali ngumu ambazo hazibadiliki huonyesha ahadi kubwa.Elektroliti imara huangukia katika makundi mawili: elektroliti za kauri isokaboni [sulfidi , oksidi, nitridi , fosfeti, n.k.] na elektroliti imara za polima [mchanganyiko wa chumvi za Li na polima, kama vile poli(ethilini oksidi), polyacrylonitrile, n.k.] .Jitihada za kuboresha elektroliti thabiti hazitafafanuliwa hapa, kwa kuwa mada hii tayari imefupishwa vyema katika hakiki kadhaa za hivi karibuni.
MTAZAMO
Hapo awali, nyenzo nyingi za riwaya zimetengenezwa ili kuboresha usalama wa betri, ingawa shida bado haijatatuliwa kabisa.Kwa kuongeza, mbinu zinazosababisha masuala ya usalama hutofautiana kwa kila kemia tofauti ya betri.Kwa hivyo, vifaa maalum vinavyotengenezwa kwa betri tofauti vinapaswa kuundwa.Tunaamini kwamba mbinu bora zaidi na nyenzo zilizoundwa vizuri zinasalia kugunduliwa.Hapa, tunaorodhesha maelekezo kadhaa yanayowezekana kwa ajili ya utafiti wa usalama wa betri baadaye.
Kwanza, ni muhimu kuendeleza katika situ au katika mbinu za operando ili kuchunguza na kufuatilia hali ya afya ya ndani ya LIBs.Kwa mfano, mchakato wa kukimbia kwa mafuta unahusiana kwa karibu na joto la ndani au ongezeko la shinikizo ndani ya LIBs.Hata hivyo, usambazaji wa joto ndani ya betri ni ngumu sana, na mbinu zinahitajika ili kufuatilia kwa usahihi maadili ya elektroliti na elektroni, pamoja na watenganishaji.Kwa hivyo, kuwa na uwezo wa kupima vigezo hivi kwa vipengele tofauti ni muhimu kwa uchunguzi na hivyo kuzuia hatari za usalama wa betri.
Uthabiti wa joto wa vitenganishi ni muhimu kwa usalama wa betri.Polima mpya zilizotengenezwa na viwango vya juu vya kuyeyuka ni bora katika kuongeza uadilifu wa mafuta ya kitenganishi.Hata hivyo, mali zao za mitambo bado ni duni, hupunguza sana mchakato wao wakati wa mkusanyiko wa betri.Aidha, bei pia ni jambo muhimu ambalo linapaswa kuzingatiwa kwa matumizi ya vitendo.
Ukuzaji wa elektroliti dhabiti inaonekana kuwa suluhisho la mwisho kwa maswala ya usalama ya LIBs.Electroliti imara itapunguza sana uwezekano wa upungufu wa ndani wa betri, pamoja na hatari ya moto na milipuko.Ingawa juhudi kubwa zimetolewa katika ukuzaji wa elektroliti dhabiti, utendaji wao unaendelea kuwa nyuma sana ule wa elektroliti za kioevu.Mchanganyiko wa elektroliti za isokaboni na polima zinaonyesha uwezo mkubwa, lakini zinahitaji muundo na utayarishaji dhaifu.Tunasisitiza kwamba muundo sahihi wa violesura vya isokaboni-polima na uhandisi wa upatanishi wake ni muhimu kwa usafiri bora wa Li-ion.
Ikumbukwe kwamba electrolyte ya kioevu sio sehemu pekee ya betri ambayo inaweza kuwaka.Kwa mfano, wakati LIB zimechajiwa sana, nyenzo za anodi za lithiati zinazoweza kuwaka (kwa mfano, grafiti ya lithiated) pia ni wasiwasi mkubwa wa usalama.Vizuia moto vinavyoweza kuzima moto wa nyenzo dhabiti vinadaiwa sana ili kuongeza usalama wao.Vizuia moto vinaweza kuchanganywa na grafiti kwa namna ya viunga vya polima au mifumo ya conductive.
Usalama wa betri ni shida ngumu na ya kisasa.Mustakabali wa usalama wa betri unahitaji juhudi zaidi katika masomo ya kimsingi ya kiufundi kwa uelewa wa kina pamoja na mbinu za hali ya juu zaidi za uainishaji, ambazo zinaweza kutoa maelezo zaidi ili kuongoza muundo wa nyenzo.Ingawa Mapitio haya yanazingatia usalama wa kiwango cha nyenzo, ikumbukwe kwamba mbinu kamili inahitajika zaidi kutatua suala la usalama la LIBs, ambapo nyenzo, vijenzi vya seli na umbizo, na moduli ya betri na pakiti hucheza majukumu sawa ili kufanya betri kuaminika hapo awali. zinatolewa sokoni.
MAREJEO NA MAELEZO
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, Nyenzo za usalama wa betri ya lithiamu-ion, SayansiAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Muda wa kutuma: Juni-05-2021
