เชิงนามธรรม
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) ถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่สำคัญที่สุดเมื่อความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น ความปลอดภัยของแบตเตอรี่จะยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นไปอีกหากพลังงานถูกปลดปล่อยออกมาโดยไม่ได้ตั้งใจอุบัติเหตุที่เกี่ยวข้องกับไฟไหม้และการระเบิดของ LIB เกิดขึ้นบ่อยครั้งทั่วโลกบางชนิดก่อให้เกิดภัยคุกคามร้ายแรงต่อชีวิตและสุขภาพของมนุษย์ และนำไปสู่การเรียกคืนผลิตภัณฑ์จำนวนมากโดยผู้ผลิตเหตุการณ์เหล่านี้เป็นเครื่องเตือนใจว่าความปลอดภัยเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับแบตเตอรี่ และต้องแก้ไขปัญหาร้ายแรงก่อนการนำระบบแบตเตอรี่พลังงานสูงไปใช้ในอนาคตการทบทวนนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อสรุปพื้นฐานของที่มาของปัญหาด้านความปลอดภัยของ LIB และเน้นถึงความคืบหน้าที่สำคัญล่าสุดในการออกแบบวัสดุเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของ LIBเราคาดว่าการตรวจทานนี้จะสร้างแรงบันดาลใจในการปรับปรุงเพิ่มเติมในด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ LIB ที่เกิดใหม่ซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูง
ที่มาของปัญหาด้านความปลอดภัยของ LIB
อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์เหลวภายใน LIBs นั้นติดไฟได้เองความล้มเหลวที่ร้ายแรงที่สุดประการหนึ่งของระบบ LIB คือเหตุการณ์การระบายความร้อนแบบลดหลั่นกัน ซึ่งถือเป็นสาเหตุหลักของข้อกังวลด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่โดยทั่วไป การหนีจากความร้อนจะเกิดขึ้นเมื่อปฏิกิริยาคายความร้อนไม่สามารถควบคุมได้เมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้นถึงสูงกว่า ~80°C อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อนภายในแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นและทำให้เซลล์ร้อนขึ้นอีก ซึ่งส่งผลให้มีวงจรป้อนกลับเชิงบวกอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องอาจส่งผลให้เกิดไฟไหม้และการระเบิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับก้อนแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ดังนั้น การทำความเข้าใจสาเหตุและกระบวนการของการระบายความร้อนจะเป็นแนวทางในการออกแบบวัสดุที่ใช้งานได้เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของ LIBกระบวนการระบายความร้อนสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอนดังที่สรุปไว้ในมะเดื่อ 1.
รูปที่ 1 สามขั้นตอนสำหรับกระบวนการระบายความร้อน
ระยะที่ 1: การเริ่มต้นของความร้อนสูงเกินไปแบตเตอรี่เปลี่ยนจากสถานะปกติเป็นสถานะผิดปกติ และอุณหภูมิภายในเริ่มเพิ่มขึ้นขั้นที่ 2: กระบวนการสะสมความร้อนและปล่อยก๊าซอุณหภูมิภายในเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และแบตเตอรี่เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนขั้นตอนที่ 3: การเผาไหม้และการระเบิดอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้จะเผาไหม้ ทำให้เกิดไฟไหม้และแม้กระทั่งการระเบิด
เริ่มมีอาการร้อนจัด (ระยะที่ 1)
การระบายความร้อนเริ่มต้นจากความร้อนสูงเกินไปของระบบแบตเตอรี่ความร้อนสูงเกินไปในเบื้องต้นอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการชาร์จแบตเตอรี่เกินแรงดันไฟฟ้าที่ออกแบบไว้ (การชาร์จมากเกินไป) การสัมผัสกับอุณหภูมิที่มากเกินไป การลัดวงจรภายนอกเนื่องจากการเดินสายไฟผิดพลาด หรือการลัดวงจรภายในเนื่องจากเซลล์บกพร่องในหมู่พวกเขา การลัดวงจรภายในเป็นสาเหตุสำคัญของการระบายความร้อนและควบคุมได้ยากการลัดวงจรภายในอาจเกิดขึ้นได้ในสถานการณ์ที่เซลล์แตก เช่น การแทรกซึมของเศษโลหะภายนอกรถชนกัน;การก่อตัวของลิเธียมเดนไดรต์ภายใต้การชาร์จที่มีความหนาแน่นกระแสสูง ภายใต้สภาวะการชาร์จมากเกินไปหรือที่อุณหภูมิต่ำและตัวแยกที่มีข้อบกพร่องที่สร้างขึ้นระหว่างการประกอบแบตเตอรี่ เป็นต้นตัวอย่างเช่น ในต้นเดือนตุลาคม 2013 รถเทสลาใกล้เมืองซีแอตเทิลชนกับเศษโลหะที่เจาะเกราะและก้อนแบตเตอรี่เศษเล็กเศษน้อยทะลุผ่านตัวคั่นโพลีเมอร์และเชื่อมต่อขั้วลบและขั้วบวกโดยตรง ทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจรและติดไฟได้ในปี 2559 ไฟไหม้แบตเตอรี่ของ Samsung Note 7 เกิดจากตัวคั่นแบบบางเฉียบซึ่งได้รับความเสียหายอย่างง่ายดายจากแรงดันภายนอกหรือรอยเชื่อมบนขั้วบวกทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจร
ในระหว่างขั้นตอนที่ 1 การทำงานของแบตเตอรี่จะเปลี่ยนจากสถานะปกติเป็นสถานะผิดปกติ และปัญหาทั้งหมดที่ระบุไว้ข้างต้นจะทำให้แบตเตอรี่ร้อนเกินไปเมื่ออุณหภูมิภายในเริ่มเพิ่มขึ้น ระยะที่ 1 สิ้นสุด และระยะที่ 2 เริ่มต้น
กระบวนการสะสมความร้อนและปล่อยก๊าซ (ระยะที่ 2)
เมื่อระยะที่ 2 เริ่มต้น อุณหภูมิภายในจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว และแบตเตอรี่เกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้ (ปฏิกิริยาเหล่านี้ไม่เกิดขึ้นตามลำดับที่กำหนด บางส่วนอาจเกิดขึ้นพร้อมกัน):
(1) การสลายตัวของโซลิดอิเล็กโทรไลต์ระหว่างเฟส (SEI) เนื่องจากความร้อนสูงเกินไปหรือการเจาะทางกายภาพเลเยอร์ SEI ส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนประกอบที่เสถียร (เช่น LiF และ Li2CO3) และส่วนประกอบเมตาสเตเบิล [เช่น โพลีเมอร์, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 และ ROLi]อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบที่แพร่กระจายได้สามารถสลายตัวแบบคายความร้อนที่ประมาณ >90°C โดยปล่อยก๊าซและออกซิเจนที่ติดไฟได้ใช้ (CH2OCO2Li)2 เป็นตัวอย่าง
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) เมื่อการสลายตัวของ SEI อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น และโลหะลิเธียมหรือลิเธียมที่มีการสอดแทรกในแอโนดจะทำปฏิกิริยากับตัวทำละลายอินทรีย์ในอิเล็กโทรไลต์ ปล่อยก๊าซไฮโดรคาร์บอนที่ติดไฟได้ (อีเทน มีเทน และอื่นๆ)นี่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่ผลักดันอุณหภูมิให้สูงขึ้นไปอีก
(3) เมื่อไรT> ~130°C ตัวคั่นโพลีเอทิลีน (PE)/โพลีโพรพิลีน (PP) เริ่มหลอมเหลว ซึ่งทำให้สถานการณ์แย่ลงไปอีกและทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างแคโทดกับแอโนด
(4) ในที่สุด ความร้อนทำให้เกิดการสลายตัวของวัสดุแคโทดลิเธียมเมทัลออกไซด์และส่งผลให้เกิดการปล่อยออกซิเจนยกตัวอย่าง LiCoO2 ซึ่งสามารถย่อยสลายได้ตั้งแต่ ~180°C ดังนี้
การสลายตัวของแคโทดยังเป็นการคายความร้อนสูง ทำให้อุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้น และทำให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้นอีกด้วย
ในช่วงที่ 2 อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นและออกซิเจนจะสะสมอยู่ภายในแบตเตอรี่กระบวนการระบายความร้อนจากระยะที่ 2 ถึงระยะที่ 3 ทันทีที่ออกซิเจนและความร้อนสะสมเพียงพอสำหรับการเผาไหม้แบตเตอรี่
การเผาไหม้และการระเบิด (ระยะที่ 3)
ในระยะที่ 3 การเผาไหม้จะเริ่มขึ้นอิเล็กโทรไลต์ของ LIB เป็นสารอินทรีย์ ซึ่งเป็นส่วนผสมของอัลคิลคาร์บอเนตแบบไซคลิกและแบบเส้นตรงเกือบทั้งหมดมีความผันผวนสูงและติดไฟได้ง่ายยกตัวอย่างเช่น คาร์บอเนตอิเล็กโทรไลต์ [ส่วนผสมของเอทิลีนคาร์บอเนต (EC) + ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) (1:1 โดยน้ำหนัก)] จะแสดงความดันไอที่ 4.8 kPa ที่อุณหภูมิห้องและจุดวาบไฟที่ต่ำมาก ที่ 25° ± 1°C ที่ความดันอากาศ 1.013 บาร์ออกซิเจนและความร้อนที่ปล่อยออกมาในระยะที่ 2 ทำให้เกิดสภาวะที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้ของอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่ติดไฟได้ ซึ่งทำให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้หรือการระเบิด
ในระยะที่ 2 และ 3 ปฏิกิริยาคายความร้อนจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะใกล้อะเดียแบติกดังนั้นการวัดปริมาณความร้อนจากอัตราเร่ง (ARC) จึงเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งจำลองสภาพแวดล้อมภายใน LIB ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาหนีจากความร้อนรูปที่ 2แสดงเส้นโค้ง ARC ทั่วไปของ LIB ที่บันทึกไว้ระหว่างการทดสอบการใช้ความร้อนในทางที่ผิดการจำลองอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในระยะที่ 2 แหล่งความร้อนภายนอกจะเพิ่มอุณหภูมิแบตเตอรี่เป็นอุณหภูมิเริ่มต้นที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ SEI จะสลายตัว ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อนมากขึ้นในที่สุดตัวคั่นจะละลายอัตราการให้ความร้อนด้วยตนเองจะเพิ่มขึ้นหลังจากนั้น ทำให้เกิดการระบายความร้อน (เมื่ออัตราการทำความร้อนได้เอง >10°C/นาที) และการเผาไหม้ของอิเล็กโทรไลต์ (ระยะที่ 3)
แอโนดคือเมโซคาร์บอนไมโครบีดกราไฟท์แคโทดคือ LiNi0.8Co0.05Al0.05O2อิเล็กโทรไลต์คือ 1.2 M LiPF6 ใน EC/PC/DMCใช้ตัวคั่นสามชั้นของ Celgard 2325ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจาก Electrochemical Society Inc.
ควรสังเกตว่าปฏิกิริยาที่แสดงข้างต้นไม่ได้เกิดขึ้นทีละอย่างในลำดับที่กำหนดอย่างเคร่งครัดค่อนข้างเป็นปัญหาที่ซับซ้อนและเป็นระบบ
วัสดุที่มีการปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่
จากความเข้าใจเกี่ยวกับระบบระบายความร้อนของแบตเตอรี่ กำลังศึกษาวิธีการต่างๆ โดยมีเป้าหมายเพื่อลดอันตรายด้านความปลอดภัยผ่านการออกแบบส่วนประกอบแบตเตอรี่อย่างมีเหตุผลในส่วนต่อจากนี้ เราสรุปแนวทางการใช้วัสดุต่างๆ เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ การแก้ปัญหาที่สอดคล้องกับระยะการระบายความร้อนที่แตกต่างกัน
เพื่อแก้ปัญหาในระยะที่ 1 (การเริ่มต้นของความร้อนสูงเกินไป)
วัสดุแอโนดที่เชื่อถือได้การก่อตัวของ Li dendrite บนแอโนดของ LIB เริ่มต้นขั้นตอนแรกของการหนีจากความร้อนแม้ว่าปัญหานี้จะบรรเทาลงในแอโนดของ LIB เชิงพาณิชย์ (เช่น แอโนดคาร์บอนแอโนด) การก่อตัวของ Li dendrite ก็ยังไม่ถูกยับยั้งโดยสิ้นเชิงตัวอย่างเช่น ใน LIB เชิงพาณิชย์ การสะสมเดนไดรต์จะเกิดขึ้นเป็นพิเศษที่ขอบอิเล็กโทรดกราไฟท์ หากแอโนดและแคโทดจับคู่กันไม่เข้ากันนอกจากนี้ สภาพการทำงานที่ไม่เหมาะสมของ LIB ยังอาจส่งผลให้เกิดการสะสมของโลหะ Li ด้วยการเติบโตของเดนไดรต์เป็นที่ทราบกันดีว่าเดนไดรต์สามารถเกิดขึ้นได้ง่ายหากชาร์จแบตเตอรี่ (i) ที่ความหนาแน่นกระแสไฟสูงซึ่งการตกสะสมของโลหะ Li จะเร็วกว่าการแพร่ของไอออน Li ในกราไฟท์จำนวนมาก(ii) ภายใต้สภาวะการอัดประจุมากเกินไปเมื่อกราไฟท์ถูกทำให้มากเกินไป;และ (iii) ที่อุณหภูมิต่ำ [เช่น อุณหภูมิต่ำกว่าสภาพแวดล้อม (~0°C)] เนื่องจากความหนืดที่เพิ่มขึ้นของอิเล็กโทรไลต์เหลวและความต้านทานการแพร่กระจายของ Li-ion ที่เพิ่มขึ้น
จากมุมมองของคุณสมบัติของวัสดุ ต้นกำเนิดของรากที่กำหนดการเริ่มต้นของการเติบโตของ Li dendrite บนแอโนดคือ SEI ที่ไม่เสถียรและไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้เกิดการกระจายกระแสในท้องถิ่นที่ไม่สม่ำเสมอส่วนประกอบของอิเล็กโทรไลต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารเติมแต่ง ได้รับการตรวจสอบเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของ SEI และกำจัดการเกิด Li dendriteสารเติมแต่งทั่วไปรวมถึงสารประกอบอนินทรีย์ [เช่น CO2 , LiI เป็นต้น] และสารประกอบอินทรีย์ที่มีพันธะคาร์บอนไม่อิ่มตัว เช่น สารเติมแต่งไวนิลอีนคาร์บอเนตและมาเลอิไมด์โมเลกุลของวัฏจักรที่ไม่เสถียร เช่น บิวทิโรแลคโตน เอทิลีน ซัลไฟต์ และอนุพันธ์ของพวกมันและสารประกอบที่มีฟลูออไรด์ เช่น ฟลูออโรเอทิลีนคาร์บอเนต เป็นต้นแม้ในระดับส่วนต่อล้านส่วน โมเลกุลเหล่านี้ยังคงสามารถปรับปรุงลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ SEI ได้ ซึ่งจะทำให้ฟลักซ์ Li-ion เป็นเนื้อเดียวกันและขจัดความเป็นไปได้ของการเกิด Li dendrite
โดยรวมแล้ว ความท้าทายของ Li dendrite ยังคงมีอยู่ในแกรไฟต์หรือแอโนดคาร์บอน และซิลิกอน/SiO ที่มีแอโนดรุ่นต่อไปการแก้ปัญหาการเติบโตของ Li dendrite เป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับการปรับตัวของเคมี Li-ion ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงในอนาคตอันใกล้ควรสังเกตว่า เมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการแก้ปัญหาของการเกิด Li dendrite ในแอโนดโลหะ Li บริสุทธิ์ โดยการทำให้ฟลักซ์ Li-ion เป็นเนื้อเดียวกันในระหว่างการสะสม Li;ตัวอย่างเช่น การเคลือบชั้นป้องกัน วิศวกรรม SEI เทียม เป็นต้น ในลักษณะนี้ วิธีการบางอย่างอาจช่วยให้กระจ่างถึงวิธีจัดการกับปัญหาของแอโนดคาร์บอนใน LIB เช่นกัน
อิเล็กโทรไลต์และตัวแยกของเหลวแบบมัลติฟังก์ชั่น.อิเล็กโทรไลต์เหลวและตัวแยกมีบทบาทสำคัญในการแยกแคโทดและแอโนดที่มีพลังงานสูงดังนั้นอิเล็กโทรไลต์และตัวแยกแบบมัลติฟังก์ชั่นที่ออกแบบมาอย่างดีจึงสามารถปกป้องแบตเตอรี่ได้อย่างมากในช่วงเริ่มต้นของการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ (ระยะที่ 1)
เพื่อป้องกันแบตเตอรี่จากการกดทับด้วยกลไก อิเล็กโทรไลต์เหลวที่ทำให้ข้นเฉือนได้มาจากการเติมซิลิกาที่รมควันไปยังอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตอย่างง่าย (1 M LiFP6 ใน EC/DMC)เมื่อใช้แรงดันหรือแรงกระแทกทางกล ของไหลจะแสดงผลที่หนาขึ้นด้วยแรงเฉือนซึ่งมีความหนืดเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงทำให้พลังงานกระแทกกระจายไปและแสดงถึงความทนทานต่อการกดทับ (มะเดื่อ 3A)
รูปที่ 3 กลยุทธ์ในการแก้ปัญหาในระยะที่ 1
(A) อิเล็กโทรไลต์ข้นเฉือนด้านบน: สำหรับอิเล็กโทรไลต์ปกติ แรงกระแทกทางกลอาจทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจร ทำให้เกิดไฟไหม้และการระเบิดด้านล่าง: อิเล็กโทรไลต์อัจฉริยะแบบใหม่ที่มีเอฟเฟกต์เพิ่มความหนาเฉือนภายใต้แรงกดหรือแรงกระแทก แสดงให้เห็นความทนทานต่อการบดอัด ซึ่งสามารถปรับปรุงความปลอดภัยทางกลของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก(B) ตัวคั่นแบบสองฟังก์ชันสำหรับการตรวจหาลิเธียมเดนไดรต์ตั้งแต่เนิ่นๆการเกิดเดนไดรต์ในแบตเตอรี่ลิเทียมแบบเดิม โดยจะตรวจพบการแทรกซึมของตัวคั่นด้วยลิเธียมเดนไดรต์เมื่อแบตเตอรี่ไม่ทำงานเนื่องจากไฟฟ้าลัดวงจรภายในในการเปรียบเทียบ แบตเตอรี่ลิเธียมที่มีตัวคั่นแบบสองฟังก์ชัน (ประกอบด้วยชั้นตัวนำที่ประกบอยู่ระหว่างตัวคั่นแบบธรรมดาสองตัว) โดยที่ลิเธียมเดนไดรต์ที่รกจะแทรกซึมเข้าไปในตัวคั่นและสัมผัสกับชั้นทองแดงนำไฟฟ้า ส่งผลให้หยดลงในVCu−Li ซึ่งทำหน้าที่เตือนถึงความล้มเหลวที่จะเกิดขึ้นเนื่องจากไฟฟ้าลัดวงจรภายในอย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่เต็มยังคงใช้งานได้อย่างปลอดภัยโดยมีค่าศักย์ไฟฟ้าที่ไม่ใช่ศูนย์(A) และ (B) ดัดแปลงหรือทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Springer Nature(C) ตัวคั่นแบบสามชั้นเพื่อใช้ Li dendrite ที่เป็นอันตรายและยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ซ้าย: ลิเธียมแอโนดสามารถสร้างตะกอนเดนไดรต์ได้ง่าย ซึ่งสามารถค่อยๆ ขยายใหญ่ขึ้นและแทรกซึมเข้าไปในตัวคั่นโพลีเมอร์เฉื่อยเมื่อเดนไดรต์เชื่อมต่อแคโทดและแอโนดในที่สุด แบตเตอรี่จะลัดวงจรและทำงานล้มเหลวขวา: ชั้นของอนุภาคนาโนซิลิกาถูกประกบด้วยตัวคั่นโพลีเมอร์เชิงพาณิชย์สองชั้นดังนั้นเมื่อลิเธียมเดนไดรต์เติบโตและทะลุผ่านตัวคั่น พวกมันจะสัมผัสกับอนุภาคนาโนซิลิกาในชั้นที่ประกบและถูกบริโภคด้วยไฟฟ้าเคมี(D) ภาพสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของตัวคั่นแซนวิชด้วยอนุภาคนาโนซิลิกา(E) แรงดันไฟฟ้าทั่วไปเทียบกับโปรไฟล์เวลาของแบตเตอรี่ Li/Li ที่มีตัวคั่นแบบธรรมดา (เส้นโค้งสีแดง) และตัวคั่นสามชั้นแบบประกบซิลิกานาโน (เส้นโค้งสีดำ) ที่ทดสอบภายใต้สภาวะเดียวกัน(C) (D) และ (E) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley และ Sons(F) ภาพประกอบแผนผังของกลไกของสารเติมแต่งรถรับส่งรีดอกซ์บนพื้นผิวแคโทดที่มีประจุมากเกินไป สารเติมแต่งรีดอกซ์จะถูกออกซิไดซ์ให้อยู่ในรูป [O] ซึ่งต่อมาจะลดลงกลับสู่สถานะเดิม [R] บนพื้นผิวของแอโนดโดยการแพร่กระจายผ่านอิเล็กโทรไลต์วัฏจักรไฟฟ้าเคมีของการเกิดออกซิเดชัน-การแพร่กระจาย-รีดักชัน-รีดักชัน-การแพร่กระจายสามารถคงอยู่ได้โดยไม่มีกำหนด และด้วยเหตุนี้จึงล็อกศักยภาพของแคโทดจากการชาร์จไฟเกินที่เป็นอันตราย(G) โครงสร้างทางเคมีทั่วไปของสารเติมแต่งขนถ่ายรีดอกซ์(H) กลไกของการปิดเติมสารเติมแต่งการโอเวอร์ชาร์จที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันทางไฟฟ้าเคมีที่ศักย์สูง(I) โครงสร้างทางเคมีทั่วไปของสารเติมแต่งการโอเวอร์ชาร์จในการปิดเครื่องศักยภาพในการทำงานของสารเติมแต่งแสดงอยู่ใต้โครงสร้างโมเลกุลแต่ละส่วนใน (G) (H) และ (I)
ตัวแยกสามารถป้องกันแคโทดและแอโนดทางอิเล็กทรอนิกส์ และมีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบสภาพสุขภาพของแบตเตอรี่ในแหล่งกำเนิด เพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพเพิ่มเติมในระยะที่ 1 ตัวอย่างเช่น "ตัวแยกแบบสองฟังก์ชัน" ที่มีโครงแบบไตรเลเยอร์โพลีเมอร์-โลหะ-โพลีเมอร์ (มะเดื่อ 3B) สามารถจัดเตรียมฟังก์ชันการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าใหม่เมื่อเดนไดรต์งอกออกมาและไปถึงชั้นกลาง มันจะเชื่อมต่อชั้นโลหะกับแอโนดเพื่อให้สามารถตรวจพบแรงดันไฟฟ้าตกอย่างกะทันหันระหว่างพวกมันทันทีเป็นเอาต์พุต
นอกจากการตรวจจับแล้ว เครื่องแยกสามชั้นยังได้รับการออกแบบมาเพื่อกินเดนไดรต์ Li ที่เป็นอันตรายและชะลอการเติบโตหลังจากเจาะผ่านตัวคั่นชั้นของอนุภาคนาโนซิลิกา ประกบด้วยตัวแยกโพลีโอเลฟินเชิงพาณิชย์สองชั้น (มะเดื่อ 3, C และ D) สามารถใช้ Li dendrite ที่เป็นอันตรายที่เจาะเข้าไปได้ ซึ่งช่วยปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ที่ได้รับการป้องกันถูกขยายอย่างมีนัยสำคัญประมาณห้าเท่าเมื่อเทียบกับที่มีตัวแยกทั่วไป (มะเดื่อ 3E).
ป้องกันการชาร์จไฟเกินการชาร์จมากเกินไปหมายถึงการชาร์จแบตเตอรี่เกินแรงดันไฟฟ้าที่ออกแบบไว้การชาร์จมากเกินไปอาจเกิดขึ้นจากความหนาแน่นกระแสไฟจำเพาะสูง รูปแบบการชาร์จที่ก้าวร้าว ฯลฯ ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาหลายอย่าง รวมถึง (i) การสะสมของโลหะ Li บนขั้วบวก ซึ่งส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมีและความปลอดภัยของแบตเตอรี่(ii) การสลายตัวของวัสดุแคโทดปล่อยออกซิเจนและ (iii) การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ ปล่อยความร้อนและผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซ (H2, ไฮโดรคาร์บอน, CO เป็นต้น) ซึ่งมีหน้าที่ในการระบายความร้อนปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีระหว่างการสลายตัวมีความซับซ้อน ซึ่งบางส่วนได้แสดงไว้ด้านล่าง
เครื่องหมายดอกจัน (*) แสดงว่าก๊าซไฮโดรเจนมีต้นกำเนิดมาจากโปรติก โดยปล่อยให้กลุ่มเกิดขึ้นในระหว่างการออกซิเดชันของคาร์บอเนตที่แคโทด ซึ่งจะกระจายไปยังแอโนดเพื่อลดขนาดและสร้าง H2
บนพื้นฐานของความแตกต่างในการทำงาน สารเติมแต่งป้องกันการโอเวอร์ชาร์จสามารถจำแนกได้เป็นสารเติมแต่งรถรับส่งรีดอกซ์และสารเติมแต่งในการปิดเครื่องแบบแรกปกป้องเซลล์จากการโอเวอร์ชาร์จแบบย้อนกลับได้ ในขณะที่เซลล์แบบหลังจะยุติการทำงานของเซลล์อย่างถาวร
สารเติมแต่งรถรับส่ง Redox ทำงานโดยการแบ่งประจุไฟฟ้าส่วนเกินที่ฉีดเข้าไปในแบตเตอรี่เมื่อประจุไฟเกินตามที่แสดงในมะเดื่อ 3Fกลไกนี้ใช้สารเติมแต่งรีดอกซ์ซึ่งมีศักยภาพในการเกิดออกซิเดชันต่ำกว่าการสลายตัวของขั้วบวกของอิเล็กโทรไลต์เล็กน้อยบนพื้นผิวแคโทดที่มีประจุมากเกินไป สารเติมแต่งรีดอกซ์จะถูกออกซิไดซ์ให้อยู่ในรูป [O] ซึ่งต่อมาจะลดลงกลับสู่สถานะเดิม [R] บนพื้นผิวของขั้วบวกหลังจากการแพร่กระจายผ่านอิเล็กโทรไลต์หลังจากนั้น สารเติมแต่งที่ลดลงสามารถแพร่กระจายกลับไปยังแคโทด และวัฏจักรไฟฟ้าเคมีของ "การแพร่ออกซิเดชัน-การแพร่กระจาย-ลด-การแพร่กระจาย" จะคงอยู่อย่างไม่มีกำหนด และด้วยเหตุนี้จึงล็อกศักยภาพของแคโทดจากการชาร์จไฟเกินที่เป็นอันตรายเพิ่มเติมจากการศึกษาพบว่าศักย์รีดอกซ์ของสารเติมแต่งควรอยู่ที่ 0.3 ถึง 0.4 V เหนือศักยภาพของแคโทด
ได้มีการพัฒนาชุดของสารเติมแต่งที่มีโครงสร้างทางเคมีที่ได้รับการปรับแต่งอย่างดีและมีศักยภาพในการรีดอกซ์ ซึ่งรวมถึงโลหะอินทรีย์เมทัลโลซีน ฟีโนไทอาซีน ไตรฟีนิลามีน ไดเมทอกซีเบนซีนและอนุพันธ์ของพวกมัน และ 2-(เพนตาฟลูออโรฟีนิล)-เตตระฟลูออโร-1,3,2-เบนโซไดออกซาโบโรล (มะเดื่อ 3G).การปรับโครงสร้างโมเลกุลให้เหมาะสม ศักยภาพการเกิดออกซิเดชันแบบเติมแต่งสามารถปรับให้สูงกว่า 4 V ซึ่งเหมาะสำหรับวัสดุแคโทดแรงดันสูงและอิเล็กโทรไลต์ที่พัฒนาอย่างรวดเร็วหลักการออกแบบพื้นฐานเกี่ยวข้องกับการลดการโคจรระดับโมเลกุลสูงสุดของสารเติมแต่งโดยการเพิ่มสารทดแทนการถอนอิเล็กตรอน ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของศักยภาพการเกิดออกซิเดชันนอกจากสารเติมแต่งอินทรีย์แล้ว เกลืออนินทรีย์บางชนิด ซึ่งไม่เพียงแต่สามารถทำหน้าที่เป็นเกลืออิเล็กโทรไลต์เท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นตัวส่งสารรีดอกซ์ได้อีกด้วย เช่น เกลือกลุ่มเพอร์ฟลูออโรโบราน [นั่นคือ ลิเธียม ฟลูออโรเดคาบอเรต (Li2B12F)xH12−x)] ยังพบว่าเป็นสารเติมแต่งขนถ่ายสารรีดอกซ์ที่มีประสิทธิภาพ
สารเติมแต่งสำหรับการโอเวอร์ชาร์จแบบปิดคือกลุ่มของสารเติมแต่งป้องกันการโอเวอร์ชาร์จแบบไม่สามารถย้อนกลับได้พวกมันทำงานโดยการปล่อยก๊าซที่ศักย์สูง ซึ่งในทางกลับกัน เปิดใช้งานอุปกรณ์ขัดขวางปัจจุบัน หรือโดยการเกิดพอลิเมอไรเซชันทางไฟฟ้าเคมีอย่างถาวรที่ศักย์สูงเพื่อยุติการทำงานของแบตเตอรี่ก่อนที่จะเกิดผลลัพธ์ที่ร้ายแรง (มะเดื่อ 3H).ตัวอย่างของสารแรก ได้แก่ ไซลีน ไซโคลเฮกซิลเบนซีน และไบฟีนิล ในขณะที่ตัวอย่างของสารหลัง ได้แก่ ไบฟีนิลและสารประกอบอะโรมาติกที่ถูกแทนที่อื่นๆ (รูปที่ 3I).ผลกระทบด้านลบของสารเติมแต่งในการปิดตัวลงยังคงเป็นการทำงานในระยะยาวและประสิทธิภาพการจัดเก็บของ LIB เนื่องจากการเกิดออกซิเดชันที่ไม่สามารถย้อนกลับของสารประกอบเหล่านี้ได้
เพื่อแก้ปัญหาในระยะที่ 2 (กระบวนการสะสมความร้อนและปล่อยก๊าซ)
วัสดุแคโทดที่เชื่อถือได้ออกไซด์ของโลหะทรานซิชันลิเธียม เช่น ชั้นออกไซด์ LiCoO2, LiNiO2 และ LiMnO2LiM2O4 ชนิดนิลออกไซด์;และโพลีเอเนียนชนิด LiFePO4 เป็นวัสดุแคโทดที่นิยมใช้ ซึ่งมีปัญหาด้านความปลอดภัยโดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูงในหมู่พวกเขา LiFePO4 ที่มีโครงสร้างเป็นมะกอกนั้นค่อนข้างปลอดภัย ซึ่งมีความเสถียรสูงถึง 400 ° C ในขณะที่ LiCoO2 เริ่มสลายตัวที่ 250 ° Cเหตุผลสำหรับความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นของ LiFePO4 ก็คือ ออกซิเจนไอออนทั้งหมดสร้างพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งกับ P5+ เพื่อสร้างโพลิแอนไอออนทรงสี่เหลี่ยม PO43− ซึ่งทำให้โครงสร้างสามมิติทั้งหมดมีเสถียรภาพและให้ความเสถียรที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับวัสดุแคโทดอื่นๆ แม้ว่าจะยังมี ได้รับรายงานอุบัติเหตุไฟไหม้แบตเตอรี่บางส่วนความกังวลด้านความปลอดภัยที่สำคัญเกิดจากการสลายตัวของวัสดุแคโทดเหล่านี้ที่อุณหภูมิสูงและการปล่อยออกซิเจนพร้อมกัน ซึ่งอาจนำไปสู่การเผาไหม้และการระเบิด ซึ่งส่งผลต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่อย่างรุนแรงตัวอย่างเช่น โครงสร้างผลึกของออกไซด์ของ LiNiO2 ที่เป็นชั้นนั้นไม่เสถียรเนื่องจากการมีอยู่ของ Ni2+ ซึ่งมีขนาดไอออนิกใกล้เคียงกับของ Li+Li . ที่ถูกขัดเกลาxNiO2 (x< 1) มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนเป็น LiNi2O4 เฟสประเภทนิลที่เสถียรกว่า (สปิเนล) และ NiO ประเภทเกลือหิน โดยออกซิเจนจะถูกปล่อยสู่อิเล็กโทรไลต์เหลวที่อุณหภูมิประมาณ 200°C ซึ่งนำไปสู่การเผาไหม้ของอิเล็กโทรไลต์
มีความพยายามอย่างมากในการปรับปรุงความเสถียรทางความร้อนของวัสดุแคโทดเหล่านี้โดยการเติมอะตอมและสารเคลือบป้องกันพื้นผิว
ยาสลบอะตอมสามารถเพิ่มความคงตัวทางความร้อนของวัสดุชั้นออกไซด์ได้อย่างมากอันเนื่องมาจากโครงสร้างผลึกที่เสถียรความเสถียรทางความร้อนของ LiNiO2 หรือ Li1.05Mn1.95O4 สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการแทนที่ Ni หรือ Mn บางส่วนด้วยไอออนบวกของโลหะอื่นๆ เช่น Co, Mn, Mg และ Alสำหรับ LiCoO2 การแนะนำองค์ประกอบยาสลบและโลหะผสม เช่น Ni และ Mn สามารถเพิ่มอุณหภูมิเริ่มต้นของการสลายตัวได้อย่างมากTธ.ค. ในขณะที่หลีกเลี่ยงปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิสูงอย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของความเสถียรทางความร้อนของแคโทดโดยทั่วไปมาพร้อมกับการเสียสละในความสามารถเฉพาะเพื่อแก้ปัญหานี้ ได้มีการพัฒนาวัสดุแคโทดไล่ระดับความเข้มข้นสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้โดยใช้ชั้นลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสออกไซด์ (มะเดื่อ 4A) .ในวัสดุนี้ แต่ละอนุภาคจะมีมวลรวมตรงกลางที่อุดมด้วย Ni และชั้นนอกที่อุดมด้วย Mn โดยที่ความเข้มข้นของ Ni ลดลงและความเข้มข้นของ Mn และ Co ที่เพิ่มขึ้นเมื่อเข้าใกล้พื้นผิว (มะเดื่อ 4B).รุ่นก่อนมีความจุสูง ในขณะที่รุ่นหลังช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนวัสดุแคโทดชนิดใหม่นี้ได้รับการแสดงเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่ (มะเดื่อ 4C).
รูปที่ 4 กลยุทธ์ในการแก้ปัญหาในระยะที่ 2: แคโทดที่เชื่อถือได้
(A) แผนผังของอนุภาคอิเล็กโทรดบวกที่มีแกนที่มี Ni-rich ล้อมรอบด้วยชั้นนอกที่มีการไล่ระดับความเข้มข้นอนุภาคแต่ละอนุภาคมี Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 ที่อุดมไปด้วย Ni และชั้นนอกที่อุดมด้วย Mn [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] ที่มีความเข้มข้น Ni ลดลงและเพิ่มความเข้มข้นของ Mn และ Co เมื่อพื้นผิวเข้าใกล้อันแรกให้ความจุสูง ในขณะที่อันหลังช่วยเพิ่มความเสถียรทางความร้อนองค์ประกอบเฉลี่ยคือ Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2ไมโครกราฟอิเล็กตรอนแบบส่องกราดของอนุภาคทั่วไปก็แสดงอยู่ทางด้านขวาเช่นกัน(B) ผลการวิเคราะห์ไมโครเอ็กซ์เรย์โพรบอิเลคตรอนของลิเธียดออกไซด์สุดท้าย Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นทีละน้อยของ Ni, Mn และ Co ใน interlayer นั้นชัดเจนความเข้มข้นของ Ni ลดลง และความเข้มข้นของ Co และ Mn เพิ่มขึ้นไปยังพื้นผิว(C) ร่องรอยของการวัดปริมาณความร้อนด้วยการสแกนเชิงอนุพันธ์ (DSC) ซึ่งแสดงการไหลของความร้อนจากปฏิกิริยาของอิเล็กโทรไลต์ด้วยวัสดุไล่ระดับความเข้มข้น Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2 ซึ่งเป็นวัสดุส่วนกลางที่มี Ni-rich Li(Ni0.8Co0.1Mn0 1)O2 และชั้นนอกที่อุดมด้วย Mn [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2]วัสดุถูกเรียกเก็บเงิน 4.3 V. (A), (B) และ (C) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Springer Nature(D) ซ้าย: ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) แบบสว่างของ LiCoO2 ที่เคลือบด้วยอนุภาคนาโนของ AlPO4;เอ็กซ์เรย์สเปกโตรเมตรีแบบกระจายพลังงานยืนยันส่วนประกอบ Al และ P ในชั้นเคลือบขวา: ภาพ TEM ความละเอียดสูงแสดงอนุภาคนาโน AlPO4 (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3 นาโนเมตร) ในชั้นเคลือบระดับนาโนลูกศรระบุส่วนต่อประสานระหว่างเลเยอร์ AlPO4 และ LiCoO2(E) ซ้าย: รูปภาพของเซลล์ที่มีแคโทด LiCoO2 หลังการทดสอบการชาร์จไฟเกิน 12 โวลต์เซลล์ถูกเผาไหม้และระเบิดด้วยแรงดันไฟฟ้านั้นขวา: รูปภาพของเซลล์ที่มี LiCoO2 ที่เคลือบด้วยอนุภาคนาโน AlPO4 หลังจากการทดสอบการประจุไฟเกิน 12 โวลต์(D) และ (E) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก John Wiley and Sons
อีกแนวทางหนึ่งในการปรับปรุงความเสถียรทางความร้อนคือการเคลือบวัสดุแคโทดด้วยชั้นบางๆ ที่ป้องกันของสารประกอบนำไฟฟ้า Li+ ที่มีความเสถียรทางความร้อน ซึ่งสามารถป้องกันการสัมผัสโดยตรงของวัสดุแคโทดด้วยอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะทำให้ปฏิกิริยาข้างเคียงและการสร้างความร้อนลดลงสารเคลือบสามารถเป็นฟิล์มอนินทรีย์อย่างใดอย่างหนึ่ง [เช่น ZnO , Al2O3, AlPO4 , AlF3 ฯลฯ ] ซึ่งสามารถนำ Li ไอออนหลังจากถูกลิเธียม (มะเดื่อ 4, D และ E) หรือฟิล์มอินทรีย์ เช่น พอลิ (ไดอัลลิลไดเมทิลแอมโมเนียมคลอไรด์) ฟิล์มป้องกันที่เกิดจากสารเติมแต่ง γ-บิวทิโรแลคโตน และสารเติมแต่งหลายองค์ประกอบ (ประกอบด้วยไวนิลอีนคาร์บอเนต 1,3-โพรพิลีนซัลไฟต์ และไดเมทิลอะซีตาไมด์)
การแนะนำการเคลือบที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกก็มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความปลอดภัยของแคโทดเช่นกันตัวอย่างเช่น แคโทด LiCoO2 ที่เคลือบด้วยโพลี (3-เดซิลไทโอฟีน) สามารถปิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและปฏิกิริยาข้างเคียงได้เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง >80°C เนื่องจากชั้นโพลีเมอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเป็นสถานะต้านทานสูงการเคลือบโอลิโกเมอร์ที่ปลายตัวเองด้วยสถาปัตยกรรมแบบไฮเปอร์แบรนช์ยังสามารถทำหน้าที่เป็นชั้นบล็อกที่ตอบสนองต่อความร้อนเพื่อปิดแบตเตอรี่จากด้านแคโทด
ตัวสะสมกระแสสลับแบบระบายความร้อนได้การปิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีระหว่างอุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นในระยะที่ 2 สามารถป้องกันอุณหภูมิไม่ให้เพิ่มขึ้นต่อไปได้อย่างมีประสิทธิภาพการสลับโพลีเมอร์เทอร์โมสปอนเซอร์แบบเปลี่ยนกลับได้อย่างรวดเร็วและย้อนกลับได้ (TRPS) ได้ถูกรวมไว้ในตัวสะสมปัจจุบัน (มะเดื่อ 5A) .ฟิล์มบาง TRPS ประกอบด้วยอนุภาคนิกเกิลที่มีโครงสร้างแหลมคมที่เคลือบด้วยกราฟีนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (GrNi) เป็นสารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเมทริกซ์ PE ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง (α ~ 10-4 K-1)ฟิล์มคอมโพสิตโพลีเมอร์ที่ประดิษฐ์ขึ้นแสดงค่าการนำไฟฟ้าสูง (σ) ที่อุณหภูมิห้อง แต่เมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้อุณหภูมิการเปลี่ยน (Ts) การนำไฟฟ้าลดลงภายใน 1 วินาทีโดยขนาดเจ็ดถึงแปดคำสั่งอันเป็นผลมาจากการขยายตัวของปริมาตรพอลิเมอร์ ซึ่งแยกอนุภาคนำไฟฟ้าและทำลายเส้นทางนำไฟฟ้า (มะเดื่อ 5B).ฟิล์มจะกลายเป็นฉนวนทันทีและทำให้การทำงานของแบตเตอรี่สิ้นสุดลง (มะเดื่อ 5C).กระบวนการนี้สามารถย้อนกลับได้สูงและสามารถทำงานได้แม้หลังจากเกิดเหตุการณ์ที่มีความร้อนสูงเกินไปหลายครั้งโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพ
รูปที่ 5 กลยุทธ์ในการแก้ปัญหาในระยะที่ 2
(A) ภาพประกอบแผนผังของกลไกการเปลี่ยนความร้อนของตัวสะสมกระแส TRPSแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยมีตัวสะสมกระแสไฟหนึ่งหรือสองตัวที่เคลือบด้วยชั้น TRPS บางๆใช้งานได้ปกติที่อุณหภูมิห้องอย่างไรก็ตาม ในกรณีที่อุณหภูมิสูงหรือกระแสไฟสูง เมทริกซ์โพลีเมอร์จะขยายตัว จึงแยกอนุภาคนำไฟฟ้าออก ซึ่งสามารถลดการนำไฟฟ้าได้ เพิ่มความต้านทานอย่างมากและปิดแบตเตอรี่โครงสร้างแบตเตอรี่จึงสามารถป้องกันได้โดยไม่เกิดความเสียหายเมื่อหล่อเย็น โพลีเมอร์จะหดตัวและกลับคืนสู่เส้นทางนำไฟฟ้าเดิม(B) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของฟิล์ม TRPS ต่างๆ ตามหน้าที่ของอุณหภูมิ รวมถึง PE/GrNi ที่มีการโหลด GrNi ที่แตกต่างกัน และ PP/GrNi ที่มีการโหลด GrNi 30% (v/v)(C) สรุปความจุของการหมุนเวียนแบตเตอรี่ LiCoO2 ที่ปลอดภัยระหว่าง 25°C และการปิดความจุใกล้ศูนย์ที่ 70°C แสดงว่าปิดเครื่องโดยสมบูรณ์(A), (B) และ (C) ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Springer Nature(D) การแสดงแผนผังของแนวคิดการปิดระบบที่ใช้ไมโครสเฟียร์สำหรับ LIBอิเล็กโทรดทำงานด้วยไมโครสเฟียร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิซึ่งผ่านการเปลี่ยนแปลงทางความร้อน (ละลาย) เหนืออุณหภูมิแบตเตอรี่ภายในที่สำคัญแคปซูลหลอมเหลวเคลือบพื้นผิวอิเล็กโทรด ก่อเป็นฉนวนป้องกันไอออนและปิดเซลล์แบตเตอรี่(E) เมมเบรนคอมโพสิตอนินทรีย์แบบบางและตั้งได้ด้วยตัวเองซึ่งประกอบด้วยอนุภาคอลูมินา 94% และสารยึดเกาะ 6% สไตรีน-บิวทาไดอีน (SBR) ถูกเตรียมโดยวิธีการหล่อแบบใช้สารละลายขวา: ภาพถ่ายแสดงความคงตัวทางความร้อนของตัวแยกคอมโพสิตอนินทรีย์และตัวคั่น PEตัวคั่นถูกเก็บไว้ที่ 130°C เป็นเวลา 40 นาทีPE หดตัวลงอย่างมากจากพื้นที่ด้วยสี่เหลี่ยมประอย่างไรก็ตาม ตัวคั่นแบบผสมไม่ได้แสดงการหดตัวที่ชัดเจนทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Elsevier(F) โครงสร้างโมเลกุลของพอลิเมอร์ที่มีอุณหภูมิหลอมสูงบางชนิดเป็นวัสดุแยกที่มีการหดตัวที่อุณหภูมิสูงต่ำด้านบน: polyimide (PI)ตรงกลาง: เซลลูโลสด้านล่าง: โพลี (บิวทิลีน) เทเรพทาเลต(G) ซ้าย: การเปรียบเทียบสเปกตรัม DSC ของ PI กับตัวคั่น PE และ PPตัวแยก PI แสดงความเสถียรทางความร้อนที่ดีเยี่ยมในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 30° ถึง 275°Cขวา: ภาพถ่ายจากกล้องดิจิตอลเปรียบเทียบความสามารถในการเปียกของตัวคั่นทางการค้ากับตัวคั่น PI ที่สังเคราะห์ขึ้นกับอิเล็กโทรไลต์โพรพิลีนคาร์บอเนตทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก American Chemical Society
ตัวแยกการปิดระบบระบายความร้อนอีกกลยุทธ์หนึ่งในการป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่หนีจากความร้อนในระหว่างขั้นตอนที่ 2 คือการปิดเส้นทางการนำไฟฟ้าของ Li ion ผ่านตัวคั่นตัวแยกเป็นส่วนประกอบหลักสำหรับความปลอดภัยของ LIB เนื่องจากป้องกันการสัมผัสทางไฟฟ้าโดยตรงระหว่างแคโทดที่มีพลังงานสูงและวัสดุแอโนดในขณะที่ยอมให้มีการขนส่งไอออนิกPP และ PE เป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุด แต่มีความเสถียรทางความร้อนต่ำ โดยมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ ~165° และ ~135°C ตามลำดับสำหรับ LIB เชิงพาณิชย์ ตัวคั่นที่มีโครงสร้างแบบสามชั้น PP/PE/PP ได้ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว โดยที่ PE เป็นชั้นป้องกันชั้นกลางเมื่ออุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นเหนืออุณหภูมิวิกฤต (~130°C) ชั้น PE ที่มีรูพรุนจะละลายบางส่วน ปิดรูพรุนของฟิล์ม และป้องกันการอพยพของไอออนในอิเล็กโทรไลต์เหลว ในขณะที่ชั้น PP ให้การสนับสนุนทางกลเพื่อหลีกเลี่ยงภายใน สั้น.อีกทางหนึ่ง การปิด LIB ที่เกิดจากความร้อนสามารถทำได้โดยใช้ PE หรือไมโครสเฟียร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิหรือขี้ผึ้งพาราฟินเป็นชั้นป้องกันของแอโนดหรือตัวแยกแบตเตอรี่เมื่ออุณหภูมิแบตเตอรี่ภายในถึงค่าวิกฤต ไมโครสเฟียร์จะละลายและเคลือบแอโนด/ตัวแยกด้วยสิ่งกีดขวางที่ไม่สามารถซึมผ่านได้ หยุดการขนส่ง Li-ion และปิดเซลล์อย่างถาวร (มะเดื่อ 5D).
เครื่องแยกที่มีความคงตัวทางความร้อนสูงในช่วงหลายปีที่ผ่านมาเพื่อปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของตัวแยกแบตเตอรี่:
(1) ตัวคั่นที่เสริมด้วยเซรามิก ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นโดยการเคลือบโดยตรงหรือการเติบโตบนพื้นผิวของชั้นเซรามิก เช่น SiO2 และ Al2O3 บนพื้นผิวตัวแยกพอลิโอเลฟินที่มีอยู่ หรือโดยการมีผงเซรามิกที่ฝังอยู่ในวัสดุพอลิเมอร์ (มะเดื่อ 5E) แสดงจุดหลอมเหลวสูงมากและมีความแข็งแรงเชิงกลสูงและมีค่าการนำความร้อนค่อนข้างสูงตัวคั่นแบบผสมบางตัวที่สร้างขึ้นโดยใช้กลยุทธ์นี้ได้ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ เช่น Separion (ชื่อทางการค้า)
(2) การเปลี่ยนวัสดุแยกจากโพลิโอเลฟินเป็นพอลิเมอร์ที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวสูงที่มีการหดตัวต่ำเมื่อได้รับความร้อน เช่น พอลิอิไมด์ เซลลูโลส โพลี (บิวทิลีน) เทเรฟทาเลต และพอลิเมอร์ที่คล้ายคลึงกันอื่นๆ (เอสเทอร์) เป็นอีกกลยุทธ์หนึ่งที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อน ของตัวคั่น (มะเดื่อ 5F).ตัวอย่างเช่น โพลิอิไมด์เป็นพอลิเมอร์เทอร์โมเซตติงที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ เนื่องจากมีความคงตัวทางความร้อนที่ดีเยี่ยม (มีความเสถียรมากกว่า 400 องศาเซลเซียส) ทนต่อสารเคมีได้ดี ทนต่อแรงดึงสูง การเปียกน้ำของอิเล็กโทรไลต์ได้ดี และการหน่วงการติดไฟ (มะเดื่อ 5G) .
แพ็คเกจแบตเตอรี่พร้อมฟังก์ชั่นระบายความร้อนระบบการจัดการความร้อนในระดับอุปกรณ์ที่เปิดใช้งานโดยการไหลเวียนของอากาศหรือการระบายความร้อนด้วยของเหลว ถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และชะลอการเพิ่มอุณหภูมินอกจากนี้ วัสดุเปลี่ยนเฟส เช่น ขี้ผึ้งพาราฟิน ยังถูกรวมเข้ากับชุดแบตเตอรี่เพื่อทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนเพื่อควบคุมอุณหภูมิ ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงการละเมิดอุณหภูมิ
เพื่อแก้ปัญหาในระยะที่ 3 (การเผาไหม้และการระเบิด)
ความร้อน ออกซิเจน และเชื้อเพลิง หรือที่เรียกว่า "สามเหลี่ยมไฟ" เป็นส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับการเกิดเพลิงไหม้ส่วนใหญ่ด้วยการสะสมของความร้อนและออกซิเจนที่เกิดขึ้นระหว่างขั้นตอนที่ 1 และ 2 เชื้อเพลิง (ซึ่งก็คืออิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้สูง) จะเริ่มติดไฟโดยอัตโนมัติการลดความสามารถในการติดไฟของตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์มีความสำคัญต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่และการใช้งาน LIB ในปริมาณมาก
สารหน่วงไฟความพยายามในการวิจัยอย่างมากได้ทุ่มเทให้กับการพัฒนาสารหน่วงไฟเพื่อลดความสามารถในการติดไฟของอิเล็กโทรไลต์เหลวสารเติมแต่งทนไฟส่วนใหญ่ที่ใช้ในอิเล็กโทรไลต์เหลวนั้นขึ้นอยู่กับสารประกอบอินทรีย์ฟอสฟอรัสหรือสารประกอบอินทรีย์ฮาโลเจนเนื่องจากฮาโลเจนเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์ สารประกอบอินทรีย์ฟอสฟอรัสจึงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจกว่าเป็นสารเติมแต่งที่ทนไฟ เนื่องจากมีความสามารถในการหน่วงไฟสูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสารประกอบฟอสฟอรัสอินทรีย์ทั่วไป ได้แก่ ไตรเมทิลฟอสเฟต, ไตรฟีนิลฟอสเฟต , บิส(2-เมทอกซีเอทอกซี)เมทิลอัลลิลฟอสโฟเนต , ทริส(2,2,2-ไตรฟลูออโรเอทิล) ฟอสไฟต์ , (เอทอกซี)เพนตาฟลูออโรไซโคลไตรฟอสฟาซีน , เอทิลีน เอทิล ฟอสเฟต ฯลฯ (มะเดื่อ 6A).กลไกสำหรับผลกระทบการหน่วงไฟของสารประกอบที่มีฟอสฟอรัสเหล่านี้โดยทั่วไปเชื่อกันว่าเป็นกระบวนการกำจัดอนุมูลอิสระทางเคมีในระหว่างการเผาไหม้ โมเลกุลที่ประกอบด้วยฟอสฟอรัสสามารถสลายตัวเป็นสปีชีส์อนุมูลอิสระที่มีฟอสฟอรัส ซึ่งสามารถกำจัดอนุมูลอิสระ (เช่น อนุมูล H และ OH) ที่เกิดขึ้นระหว่างการขยายพันธุ์ของปฏิกิริยาลูกโซ่ซึ่งมีหน้าที่ในการเผาไหม้อย่างต่อเนื่อง (มะเดื่อ 6, ข และ ค)น่าเสียดายที่ความสามารถในการติดไฟที่ลดลงด้วยการเพิ่มสารหน่วงการติดไฟที่มีฟอสฟอรัสเหล่านี้ทำให้เสียประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าเพื่อปรับปรุงการแลกเปลี่ยนนี้ นักวิจัยคนอื่น ๆ ได้ทำการปรับเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลของพวกเขา: (i) การเรืองแสงบางส่วนของอัลคิลฟอสเฟตสามารถปรับปรุงเสถียรภาพการลดและประสิทธิภาพการหน่วงไฟของพวกมัน(ii) การใช้สารประกอบที่มีทั้งคุณสมบัติในการขึ้นรูปฟิล์มป้องกันและคุณสมบัติหน่วงไฟ เช่น bis(2-methoxyethoxy)methylallylphosphonate ซึ่งกลุ่มอัลลิลิกสามารถสร้างโพลีเมอไรเซชันและสร้างฟิล์ม SEI ที่เสถียรบนพื้นผิวกราไฟท์ จึงป้องกันด้านอันตรายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปฏิกิริยา;(iii) การเปลี่ยนแปลงของ P(V) ฟอสเฟตเป็น P(III) ฟอสไฟต์ ซึ่งอำนวยความสะดวกในการก่อตัว SEI และสามารถปิดใช้งาน PF5 ที่เป็นอันตรายได้ [ตัวอย่างเช่น ทริส(2,2,2-ไตรฟลูออโรเอทิล) ฟอสไฟต์];และ (iv) แทนที่สารเติมแต่งออร์กาโนฟอสฟอรัสด้วยไซคลิกฟอสฟาซีน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไซโคลฟอสฟาซีนที่มีฟลูออไรด์ ซึ่งมีการปรับปรุงความเข้ากันได้ทางไฟฟ้าเคมี
รูปที่ 6 กลยุทธ์ในการแก้ปัญหาในระยะที่ 3
(A) โครงสร้างโมเลกุลทั่วไปของสารหน่วงไฟ(B) กลไกสำหรับผลกระทบการหน่วงไฟของสารประกอบที่มีฟอสฟอรัสเหล่านี้โดยทั่วไปเชื่อกันว่าเป็นกระบวนการกำจัดอนุมูลอิสระทางเคมี ซึ่งสามารถยุติปฏิกิริยาลูกโซ่แบบรุนแรงที่รับผิดชอบต่อปฏิกิริยาการเผาไหม้ในเฟสของแก๊สTPP, ไตรฟีนิลฟอสเฟต(C) เวลาดับตัวเอง (SET) ของอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตทั่วไปสามารถลดลงได้อย่างมากด้วยการเติมไตรฟีนิลฟอสเฟต(D) แผนผังของตัวแยกอิเล็กโตรสปัน "อัจฉริยะ" พร้อมคุณสมบัติหน่วงการติดไฟที่เกิดจากความร้อนสำหรับ LIBตัวคั่นแบบลอยตัวประกอบด้วยไมโครไฟเบอร์ที่มีโครงสร้างแบบ core-shell โดยที่สารหน่วงการติดไฟคือแกนกลาง และโพลีเมอร์คือเปลือกเมื่อกระตุ้นด้วยความร้อน เปลือกโพลีเมอร์จะละลาย จากนั้นสารหน่วงการติดไฟที่ห่อหุ้มไว้จะถูกปล่อยเข้าสู่อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นจึงระงับการจุดไฟและการเผาไหม้ของอิเล็กโทรไลต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ(E) ภาพ SEM ของไมโครไฟเบอร์ TPP@PVDF-HFP หลังจากการแกะสลักแสดงให้เห็นโครงสร้างคอร์-เชลล์ของพวกมันอย่างชัดเจนสเกลบาร์ 5 ไมโครเมตร(F) โครงสร้างโมเลกุลทั่วไปของของเหลวไอออนิกที่อุณหภูมิห้องที่ใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟสำหรับ LIBs(G) โครงสร้างโมเลกุลของ PFPE ซึ่งเป็นแอนะล็อก PEO เปอร์ฟลูออริเนตที่ไม่ติดไฟกลุ่มเมทิลคาร์บอเนตสองกลุ่มถูกดัดแปลงบนขั้วของสายโซ่โพลีเมอร์เพื่อให้แน่ใจว่าโมเลกุลเข้ากันได้ดีกับระบบแบตเตอรี่ในปัจจุบัน
ควรสังเกตว่ามีการแลกเปลี่ยนระหว่างความไวไฟที่ลดลงของอิเล็กโทรไลต์และประสิทธิภาพของเซลล์สำหรับสารเติมแต่งที่ระบุไว้ แม้ว่าการประนีประนอมนี้ได้รับการปรับปรุงผ่านการออกแบบโมเลกุลข้างต้นอีกกลยุทธ์หนึ่งที่เสนอเพื่อแก้ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับการผสมผสานสารหน่วงไฟภายในเปลือกพอลิเมอร์ป้องกันของไมโครไฟเบอร์ ซึ่งวางซ้อนกันต่อไปเพื่อสร้างตัวคั่นนอนวูฟเวน (มะเดื่อ 6D) .ได้มีการประดิษฐ์เครื่องแยกไมโครไฟเบอร์แบบนอนวูฟเวนแบบอิเล็กโตรสปุนที่มีคุณสมบัติหน่วงการติดไฟที่เกิดจากความร้อนสำหรับ LIBการห่อหุ้มสารหน่วงไฟภายในเปลือกโพลีเมอร์ป้องกันช่วยป้องกันการสัมผัสสารหน่วงไฟโดยตรงไปยังอิเล็กโทรไลต์ ป้องกันผลกระทบด้านลบจากสารหน่วงต่อประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่ (รูปที่ 6E).อย่างไรก็ตาม หากเกิดการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ LIB เปลือกโพลี (vinylidenefluoride-hexafluoro propylene) copolymer (PVDF-HFP) จะละลายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจากนั้นสารหน่วงการติดไฟไตรฟีนิลฟอสเฟตที่ห่อหุ้มไว้จะถูกปล่อยออกสู่อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะช่วยยับยั้งการเผาไหม้ของอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้สูงอย่างมีประสิทธิภาพ
แนวคิด "อิเล็กโทรไลต์ที่มีความเข้มข้นของเกลือ" ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ไขภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกนี้อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่ดับไฟสำหรับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้เหล่านี้ประกอบด้วย LiN (SO2F)2 เป็นเกลือและเป็นสารหน่วงไฟที่เป็นที่นิยมของไตรเมทิลฟอสเฟต (TMP) เป็นตัวทำละลายเพียงอย่างเดียวการก่อตัวตามธรรมชาติของ SEI แบบอนินทรีย์ที่ได้จากเกลืออย่างแข็งแกร่งบนแอโนดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีที่เสถียรกลยุทธ์ใหม่นี้สามารถขยายไปสู่สารหน่วงการติดไฟอื่น ๆ และอาจเปิดหนทางใหม่ในการพัฒนาตัวทำละลายที่ทนไฟสำหรับ LIB ที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น
อิเล็กโทรไลต์เหลวที่ไม่ติดไฟทางออกที่ดีที่สุดสำหรับประเด็นด้านความปลอดภัยของอิเล็กโทรไลต์คือการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟภายในอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟกลุ่มหนึ่งที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางคือของเหลวไอออนิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งของเหลวไอออนิกที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งไม่ระเหย (ไม่มีแรงดันไอที่ตรวจจับได้ต่ำกว่า 200°C) และไม่ติดไฟและมีหน้าต่างอุณหภูมิกว้าง (มะเดื่อ 6F) .อย่างไรก็ตาม ยังคงต้องมีการวิจัยอย่างต่อเนื่องเพื่อแก้ปัญหาความสามารถอัตราต่ำที่เกิดจากความหนืดสูง หมายเลขถ่ายโอน Li ต่ำ ความไม่คงตัวของแคโทดหรือรีดักทีฟ และของเหลวไอออนิกที่มีราคาสูง
ไฮโดรฟลูออโรอีเทอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำเป็นอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ไม่ติดไฟอีกประเภทหนึ่ง เนื่องจากมีจุดวาบไฟสูงหรือไม่มีเลย ไม่ติดไฟ แรงตึงผิวต่ำ ความหนืดต่ำ อุณหภูมิจุดเยือกแข็งต่ำ ฯลฯการออกแบบโมเลกุลที่เหมาะสมควรทำเพื่อปรับคุณสมบัติทางเคมีให้เป็นไปตามเกณฑ์ของอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ตัวอย่างที่น่าสนใจที่ได้รับรายงานเมื่อเร็วๆ นี้ ได้แก่ perfluoropolyether (PFPE) ซึ่งเป็นอะนาลอกของ perfluorinated polyethylene oxide (PEO) ที่เป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องความไม่ติดไฟ (มะเดื่อ 6G) .กลุ่มเมทิลคาร์บอเนตสองกลุ่มได้รับการแก้ไขบนกลุ่มขั้วของสายโซ่ PFPE (PFPE-DMC) เพื่อให้แน่ใจว่าโมเลกุลสามารถทำงานร่วมกันได้กับระบบแบตเตอรี่ในปัจจุบันดังนั้น ความไม่ติดไฟและความเสถียรทางความร้อนของ PFPE สามารถปรับปรุงความปลอดภัยของ LIB ได้อย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่เพิ่มจำนวนการถ่ายเทอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากการออกแบบโครงสร้างโมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์
ระยะที่ 3 เป็นขั้นตอนสุดท้ายแต่มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับกระบวนการระบายความร้อนควรสังเกตว่าถึงแม้จะมีความพยายามอย่างมากในการลดความสามารถในการติดไฟของอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ล้ำสมัยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท: อิเล็กโทรไลต์เซรามิกอนินทรีย์ [ซัลไฟด์, ออกไซด์, ไนไตรด์, ฟอสเฟต, ฯลฯ ] และอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง [ส่วนผสมของเกลือ Li กับโพลีเมอร์เช่นโพลี (เอทิลีนออกไซด์), โพลีอะคริโลไนไตรล์ ฯลฯ ]ความพยายามในการปรับปรุงอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะไม่แสดงรายละเอียดในที่นี้ เนื่องจากหัวข้อนี้ได้รับการสรุปไว้อย่างดีในบทวิจารณ์ล่าสุดหลายฉบับ
OUTLOOK
ในอดีต มีการพัฒนาวัสดุใหม่ๆ มากมายเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ แม้ว่าปัญหาจะยังไม่ได้รับการแก้ไขทั้งหมดนอกจากนี้ กลไกในประเด็นด้านความปลอดภัยจะแตกต่างกันไปตามคุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่แต่ละชนิดดังนั้นควรออกแบบวัสดุเฉพาะสำหรับแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันเราเชื่อว่ายังคงมีการค้นพบวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและวัสดุที่ออกแบบมาอย่างดีเราแสดงรายการแนวทางที่เป็นไปได้หลายประการสำหรับการวิจัยความปลอดภัยแบตเตอรี่ในอนาคต
ประการแรก การพัฒนาวิธีการในแหล่งกำเนิดหรือแบบตัวถูกดำเนินการเพื่อตรวจหาและตรวจสอบสภาวะสุขภาพภายในของ LIB เป็นสิ่งสำคัญตัวอย่างเช่น กระบวนการระบายความร้อนมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอุณหภูมิภายในหรือความดันที่เพิ่มขึ้นภายใน LIBอย่างไรก็ตาม การกระจายอุณหภูมิภายในแบตเตอรี่ค่อนข้างซับซ้อน และจำเป็นต้องมีวิธีการในการตรวจสอบค่าของอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดอย่างแม่นยำ รวมทั้งตัวแยกอย่างแม่นยำดังนั้น ความสามารถในการวัดค่าพารามิเตอร์เหล่านี้สำหรับส่วนประกอบต่างๆ จึงมีความสำคัญสำหรับการวินิจฉัยและป้องกันอันตรายต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่
ความเสถียรทางความร้อนของตัวแยกเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความปลอดภัยของแบตเตอรี่โพลีเมอร์ที่พัฒนาขึ้นใหม่ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูงมีประสิทธิภาพในการเพิ่มความสมบูรณ์ทางความร้อนของตัวแยกอย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางกลของพวกมันยังด้อยกว่า ทำให้ความสามารถในการแปรรูปลดลงอย่างมากระหว่างการประกอบแบตเตอรี่นอกจากนี้ราคายังเป็นปัจจัยสำคัญที่ควรพิจารณาสำหรับการใช้งานจริง
การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งดูเหมือนจะเป็นทางออกที่ดีที่สุดสำหรับปัญหาด้านความปลอดภัยของ LIBอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะช่วยลดความเป็นไปได้ที่แบตเตอรี่จะลัดวงจร ควบคู่ไปกับความเสี่ยงที่จะเกิดไฟไหม้และการระเบิดแม้ว่าจะใช้ความพยายามอย่างมากในการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง แต่ประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลต์ยังคงล้าหลังกว่าอิเล็กโทรไลต์เหลวมากคอมโพสิตของอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์และพอลิเมอร์มีศักยภาพสูง แต่พวกมันต้องการการออกแบบและการเตรียมที่ละเอียดอ่อนเราเน้นย้ำว่าการออกแบบที่เหมาะสมของส่วนต่อประสานอนินทรีย์-โพลีเมอร์และวิศวกรรมการจัดตำแหน่งนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการขนส่ง Li-ion อย่างมีประสิทธิภาพ
ควรสังเกตว่าอิเล็กโทรไลต์เหลวไม่ใช่ส่วนประกอบเดียวของแบตเตอรี่ที่ติดไฟได้ตัวอย่างเช่น เมื่อ LIB มีประจุสูง วัสดุแอโนดที่เป็นลิเธียมที่ติดไฟได้ (เช่น ลิเธียดกราไฟต์) ก็เป็นปัญหาด้านความปลอดภัยเช่นกันสารหน่วงไฟที่สามารถหน่วงไฟของวัสดุโซลิดสเตตได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นที่ต้องการอย่างมากในการเพิ่มความปลอดภัยสารหน่วงการติดไฟอาจผสมกับกราไฟต์ในรูปของสารยึดเกาะโพลีเมอร์หรือโครงแบบสื่อกระแสไฟฟ้า
ความปลอดภัยของแบตเตอรี่เป็นปัญหาที่ค่อนข้างซับซ้อนและซับซ้อนอนาคตของความปลอดภัยของแบตเตอรี่เรียกร้องให้มีความพยายามมากขึ้นในการศึกษากลไกพื้นฐานเพื่อความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น นอกเหนือจากวิธีการกำหนดลักษณะเฉพาะขั้นสูง ซึ่งสามารถให้ข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบวัสดุแม้ว่าการทบทวนนี้จะเน้นที่ความปลอดภัยระดับวัสดุ แต่ควรสังเกตว่าแนวทางแบบองค์รวมเป็นสิ่งจำเป็นเพิ่มเติมในการแก้ปัญหาด้านความปลอดภัยของ LIB โดยที่วัสดุ ส่วนประกอบและรูปแบบของเซลล์ และโมดูลและแบตเตอรี่ของแบตเตอรี่มีบทบาทเท่าเทียมกันในการทำให้แบตเตอรี่มีความน่าเชื่อถือมาก่อน พวกเขาจะออกสู่ตลาด
ข้อมูลอ้างอิงและหมายเหตุ
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, วัสดุเพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
โพสต์เวลา: Jun-05-2021
