சுருக்கம்
லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகள் (LIBs) மிக முக்கியமான ஆற்றல் சேமிப்பு தொழில்நுட்பங்களில் ஒன்றாக கருதப்படுகிறது.பேட்டரிகளின் ஆற்றல் அடர்த்தி அதிகரிக்கும் போது, ஆற்றல் தற்செயலாக வெளியிடப்பட்டால், பேட்டரி பாதுகாப்பு இன்னும் முக்கியமானதாகிறது.எல்ஐபிகளின் தீ மற்றும் வெடிப்புகள் தொடர்பான விபத்துகள் உலகம் முழுவதும் அடிக்கடி நிகழ்கின்றன.சில மனித வாழ்க்கை மற்றும் ஆரோக்கியத்திற்கு கடுமையான அச்சுறுத்தல்களை ஏற்படுத்தியுள்ளன மற்றும் உற்பத்தியாளர்களால் பல தயாரிப்புகளை திரும்பப்பெற வழிவகுத்தன.இந்த சம்பவங்கள் பேட்டரிகளுக்கு பாதுகாப்பு ஒரு முன்நிபந்தனை என்பதை நினைவூட்டுகிறது, மேலும் உயர் ஆற்றல் கொண்ட பேட்டரி அமைப்புகளின் எதிர்கால பயன்பாட்டிற்கு முன் கடுமையான சிக்கல்கள் தீர்க்கப்பட வேண்டும்.இந்த மதிப்பாய்வு LIB பாதுகாப்பு சிக்கல்களின் தோற்றத்தின் அடிப்படைகளை சுருக்கி, LIB பாதுகாப்பை மேம்படுத்துவதற்கான பொருட்களின் வடிவமைப்பில் சமீபத்திய முக்கிய முன்னேற்றத்தை முன்னிலைப்படுத்துவதை நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது.இந்த மதிப்பாய்வு பேட்டரி பாதுகாப்பில் மேலும் முன்னேற்றத்தை ஊக்குவிக்கும் என்று நாங்கள் எதிர்பார்க்கிறோம், குறிப்பாக உயர் ஆற்றல் அடர்த்தி கொண்ட வளர்ந்து வரும் LIB களுக்கு.
LIB பாதுகாப்பு சிக்கல்களின் தோற்றம்
LIB களில் உள்ள கரிம திரவ எலக்ட்ரோலைட் உள்ளார்ந்த முறையில் எரியக்கூடியது.எல்ஐபி அமைப்பின் மிகவும் பேரழிவுகரமான தோல்விகளில் ஒன்று கேஸ்கேடிங் தெர்மல் ரன்அவே நிகழ்வு ஆகும், இது பேட்டரி பாதுகாப்பு கவலைகளுக்கு முக்கிய காரணமாக கருதப்படுகிறது.பொதுவாக, வெப்ப ரன்வே ஒரு வெளிப்புற வெப்ப எதிர்வினை கட்டுப்பாட்டை மீறும் போது ஏற்படுகிறது.பேட்டரியின் வெப்பநிலை ~80°C க்கு மேல் உயரும் போது, பேட்டரிகளுக்குள் இருக்கும் வெளிவெப்ப இரசாயன எதிர்வினை வீதம் அதிகரிக்கிறது மற்றும் கலத்தை மேலும் வெப்பப்படுத்துகிறது, இதன் விளைவாக நேர்மறையான பின்னூட்ட சுழற்சி ஏற்படுகிறது.தொடர்ந்து உயரும் வெப்பநிலை தீ மற்றும் வெடிப்புகளை ஏற்படுத்தலாம், குறிப்பாக பெரிய பேட்டரி பேக்குகளுக்கு.எனவே, வெப்ப ஓட்டத்தின் காரணங்கள் மற்றும் செயல்முறைகளைப் புரிந்துகொள்வது, LIB களின் பாதுகாப்பு மற்றும் நம்பகத்தன்மையை மேம்படுத்த செயல்பாட்டுப் பொருட்களின் வடிவமைப்பை வழிநடத்தும்.வெப்ப ரன்வே செயல்முறையை சுருக்கமாக மூன்று நிலைகளாகப் பிரிக்கலாம்வரைபடம். 1.
படம் 1 வெப்ப ரன்வே செயல்முறைக்கான மூன்று நிலைகள்.
நிலை 1: அதிக வெப்பத்தின் ஆரம்பம்.பேட்டரிகள் இயல்பான நிலையில் இருந்து அசாதாரண நிலைக்கு மாறுகின்றன, மேலும் உட்புற வெப்பநிலை அதிகரிக்கத் தொடங்குகிறது.நிலை 2: வெப்பக் குவிப்பு மற்றும் வாயு வெளியீட்டு செயல்முறை.உட்புற வெப்பநிலை விரைவாக உயர்கிறது, மேலும் பேட்டரி வெளிப்புற வெப்ப எதிர்வினைகளுக்கு உட்படுகிறது.நிலை 3: எரிப்பு மற்றும் வெடிப்பு.எரியக்கூடிய எலக்ட்ரோலைட் எரிகிறது, இது தீ மற்றும் வெடிப்புகளுக்கு வழிவகுக்கிறது.
அதிக வெப்பத்தின் ஆரம்பம் (நிலை 1)
பேட்டரி அமைப்பின் அதிக வெப்பத்திலிருந்து வெப்ப ரன்வே தொடங்குகிறது.வடிவமைக்கப்பட்ட மின்னழுத்தத்திற்கு அப்பால் பேட்டரி சார்ஜ் செய்யப்படுவதால் (ஓவர் சார்ஜிங்), அதிக வெப்பநிலைக்கு வெளிப்பாடு, தவறான வயரிங் காரணமாக வெளிப்புற ஷார்ட் சர்க்யூட்கள் அல்லது செல் குறைபாடுகள் காரணமாக உள் குறுகிய சுற்றுகள் ஆகியவற்றின் விளைவாக ஆரம்ப வெப்பமடைதல் ஏற்படலாம்.அவற்றில், வெப்ப ரன்வேக்கான முக்கியக் காரணம் உட்புறக் குறைபாடு மற்றும் கட்டுப்படுத்துவது ஒப்பீட்டளவில் கடினம்.வெளிப்புற உலோகக் குப்பைகள் ஊடுருவல் போன்ற செல் நொறுக்குதல் சூழ்நிலைகளில் உட்புற சுருக்கம் ஏற்படலாம்;வாகனம் மோதல்;அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தி சார்ஜிங்கின் கீழ் லித்தியம் டென்ட்ரைட் உருவாக்கம், ஓவர்சார்ஜிங் நிலைமைகளின் கீழ் அல்லது குறைந்த வெப்பநிலையில்;மற்றும் பேட்டரி அசெம்பிளியின் போது உருவாக்கப்பட்ட குறைபாடுள்ள பிரிப்பான்கள், ஒரு சில.எடுத்துக்காட்டாக, அக்டோபர் 2013 இன் தொடக்கத்தில், சியாட்டில் அருகே ஒரு டெஸ்லா கார் உலோகக் குப்பைகளைத் தாக்கியது, அது கவசத்தையும் பேட்டரி பேக்கையும் துளைத்தது.குப்பைகள் பாலிமர் பிரிப்பான்களை ஊடுருவி நேரடியாக கேத்தோடு மற்றும் அனோடை இணைக்கிறது, இதனால் பேட்டரி ஷார்ட் சர்க்யூட் மற்றும் தீப்பிடித்தது;2016 ஆம் ஆண்டில், சாம்சங் நோட் 7 பேட்டரி தீப்பிடித்தது, வெளிப்புற அழுத்தம் அல்லது நேர்மறை மின்முனையில் உள்ள வெல்டிங் பர்ர்களால் எளிதில் சேதமடைந்த அல்ட்ராதின் பிரிப்பான் காரணமாக பேட்டரி ஷார்ட்-சர்க்யூட் ஆனது.
நிலை 1 இன் போது, பேட்டரி செயல்பாடு இயல்பான நிலையில் இருந்து அசாதாரண நிலைக்கு மாறுகிறது, மேலும் மேலே பட்டியலிடப்பட்டுள்ள அனைத்து சிக்கல்களும் பேட்டரியை அதிக வெப்பமடையச் செய்யும்.உட்புற வெப்பநிலை அதிகரிக்கத் தொடங்கும் போது, நிலை 1 முடிவடைகிறது மற்றும் நிலை 2 தொடங்குகிறது.
வெப்ப குவிப்பு மற்றும் வாயு வெளியீட்டு செயல்முறை (நிலை 2)
நிலை 2 தொடங்கும் போது, உள் வெப்பநிலை விரைவாக உயர்கிறது, மேலும் பேட்டரி பின்வரும் எதிர்வினைகளுக்கு உட்படுகிறது (இந்த எதிர்வினைகள் சரியான வரிசையில் நிகழாது; அவற்றில் சில ஒரே நேரத்தில் நிகழலாம்):
(1) அதிக வெப்பம் அல்லது உடல் ஊடுருவல் காரணமாக திட எலக்ட்ரோலைட் இடைநிலை (SEI) சிதைவு.SEI அடுக்கு முக்கியமாக நிலையான (LiF மற்றும் Li2CO3 போன்றவை) மற்றும் மெட்டாஸ்டேபிள் [பாலிமர்கள், ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 மற்றும் ROLi] கூறுகளைக் கொண்டுள்ளது.இருப்பினும், மெட்டாஸ்டேபிள் கூறுகள் தோராயமாக >90°C வெப்பநிலையில் வெளிப்புற வெப்பமாக சிதைந்து, எரியக்கூடிய வாயுக்கள் மற்றும் ஆக்ஸிஜனை வெளியிடுகின்றன.உதாரணமாக (CH2OCO2Li)2 ஐ எடுத்துக் கொள்ளுங்கள்
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) SEI இன் சிதைவுடன், வெப்பநிலை உருவாகிறது, மேலும் அனோடில் உள்ள லித்தியம் உலோகம் அல்லது ஒன்றோடொன்று இணைந்த லித்தியம் எலக்ட்ரோலைட்டில் உள்ள கரிம கரைப்பான்களுடன் வினைபுரிந்து, எரியக்கூடிய ஹைட்ரோகார்பன் வாயுக்களை (ஈத்தேன், மீத்தேன் மற்றும் பிற) வெளியிடுகிறது.இது வெப்பத்தை மேலும் உயர்த்தும் ஒரு வெப்ப வினையாகும்.
(3) எப்போதுT> ~130°C, பாலிஎதிலீன் (PE)/பாலிப்ரோப்பிலீன் (PP) பிரிப்பான் உருகத் தொடங்குகிறது, இது நிலைமையை மேலும் மோசமாக்குகிறது மற்றும் கேத்தோடிற்கும் நேர்மின்முனைக்கும் இடையில் ஒரு குறுகிய சுற்று ஏற்படுகிறது.
(4) இறுதியில், வெப்பமானது லித்தியம் உலோக ஆக்சைடு கேத்தோடு பொருளின் சிதைவை ஏற்படுத்துகிறது மற்றும் ஆக்ஸிஜனை வெளியிடுகிறது.LiCoO2 ஐ உதாரணமாக எடுத்துக் கொள்ளுங்கள், இது பின்வருமாறு ~180°C இல் தொடங்கி சிதைவடையும்
கேத்தோடின் முறிவு அதிக வெப்பமடைகிறது, மேலும் வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தத்தை அதிகரிக்கிறது, இதன் விளைவாக, எதிர்வினைகளை மேலும் துரிதப்படுத்துகிறது.
நிலை 2 இல், வெப்பநிலை அதிகரிக்கிறது மற்றும் பேட்டரிகளுக்குள் ஆக்ஸிஜன் குவிகிறது.பேட்டரி எரிப்புக்கு போதுமான ஆக்ஸிஜன் மற்றும் வெப்பம் குவிந்தவுடன் வெப்ப ரன்வே செயல்முறை நிலை 2 முதல் நிலை 3 வரை தொடர்கிறது.
எரிப்பு மற்றும் வெடிப்பு (நிலை 3)
நிலை 3 இல், எரிப்பு தொடங்குகிறது.LIB களின் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் கரிமமானது, அவை சுழற்சி மற்றும் நேரியல் அல்கைல் கார்பனேட்டுகளின் கிட்டத்தட்ட உலகளாவிய கலவையாகும்.அவை அதிக நிலையற்ற தன்மையைக் கொண்டுள்ளன மற்றும் உள்ளார்ந்த முறையில் அதிக எரியக்கூடியவை.பிரபலமாகப் பயன்படுத்தப்படும் கார்பனேட் எலக்ட்ரோலைட்டை எடுத்துக் கொண்டால், [எத்திலீன் கார்பனேட் (EC) + டைமெத்தில் கார்பனேட் (DMC) (எடையில் 1:1)] கலவையை எடுத்துக் கொண்டால், இது அறை வெப்பநிலையில் 4.8 kPa இன் நீராவி அழுத்தத்தையும் மிகக் குறைந்த ஃபிளாஷ் புள்ளியையும் வெளிப்படுத்துகிறது. 1.013 பார் காற்றழுத்தத்தில் 25° ± 1°C.நிலை 2 இல் வெளியிடப்பட்ட ஆக்ஸிஜன் மற்றும் வெப்பம் எரியக்கூடிய கரிம எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் எரிப்புக்கு தேவையான நிலைமைகளை வழங்குகிறது, இதனால் தீ அல்லது வெடிப்பு அபாயங்கள் ஏற்படும்.
நிலைகள் 2 மற்றும் 3 இல், எக்ஸோதெர்மிக் எதிர்வினைகள் அடியாபாடிக் நிலைமைகளின் கீழ் நிகழ்கின்றன.எனவே, துரிதப்படுத்தப்பட்ட விகித கலோரிமெட்ரி (ARC) என்பது பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் நுட்பமாகும், இது LIB களுக்குள் சுற்றுச்சூழலை உருவகப்படுத்துகிறது, இது வெப்ப ரன்அவே எதிர்வினை இயக்கவியலைப் பற்றிய நமது புரிதலை எளிதாக்குகிறது.படம் 2வெப்ப துஷ்பிரயோக சோதனைகளின் போது பதிவு செய்யப்பட்ட LIB இன் வழக்கமான ARC வளைவைக் காட்டுகிறது.நிலை 2 இல் வெப்பநிலை அதிகரிப்பதை உருவகப்படுத்துவது, வெப்பத்தின் வெளிப்புற மூலமானது பேட்டரி வெப்பநிலையை தொடக்க வெப்பநிலைக்கு அதிகரிக்கிறது.இந்த வெப்பநிலைக்கு மேல், SEI சிதைகிறது, இது அதிக வெப்ப இரசாயன எதிர்வினைகளைத் தூண்டும்.இறுதியில், பிரிப்பான் உருகும்.சுய-சூடாக்கும் வீதம் பின்னர் அதிகரிக்கும், இது வெப்ப ஓட்டத்திற்கு வழிவகுக்கும் (சுய-வெப்ப விகிதம் >10°C/நிமிடமாக இருக்கும்போது) மற்றும் எலக்ட்ரோலைட் எரிப்பு (நிலை 3).
அனோட் மீசோகார்பன் மைக்ரோபீட் கிராஃபைட் ஆகும்.கேத்தோடானது LiNi0.8Co0.05Al0.05O2 ஆகும்.EC/PC/DMC இல் எலக்ட்ரோலைட் 1.2 M LiPF6 ஆகும்.ஒரு செல்கார்ட் 2325 ட்ரைலேயர் பிரிப்பான் பயன்படுத்தப்பட்டது.எலக்ட்ரோ கெமிக்கல் சொசைட்டி இன்க் அனுமதியுடன் மாற்றியமைக்கப்பட்டது.
மேலே விளக்கப்பட்டுள்ள எதிர்வினைகள் கொடுக்கப்பட்ட வரிசையில் ஒன்றன் பின் ஒன்றாக கண்டிப்பாக நிகழாது என்பதை கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும்.அவை சிக்கலான மற்றும் முறையான பிரச்சினைகள்.
மேம்படுத்தப்பட்ட பேட்டரி பாதுகாப்பு கொண்ட பொருட்கள்
பேட்டரி தெர்மல் ரன்வே பற்றிய புரிதலின் அடிப்படையில், பேட்டரி கூறுகளின் பகுத்தறிவு வடிவமைப்பு மூலம் பாதுகாப்பு அபாயங்களைக் குறைக்கும் நோக்கத்துடன், பல அணுகுமுறைகள் ஆய்வு செய்யப்படுகின்றன.அடுத்தடுத்த பிரிவுகளில், பேட்டரி பாதுகாப்பை மேம்படுத்துவதற்கும், வெவ்வேறு வெப்ப ரன்அவே நிலைகளுடன் தொடர்புடைய சிக்கல்களைத் தீர்ப்பதற்கும் வெவ்வேறு பொருள் அணுகுமுறைகளை நாங்கள் சுருக்கமாகக் கூறுகிறோம்.
நிலை 1 இல் உள்ள சிக்கல்களைத் தீர்க்க (அதிக வெப்பத்தின் ஆரம்பம்)
நம்பகமான அனோட் பொருட்கள்.LIB இன் அனோடில் லி டென்ட்ரைட் உருவாக்கம் வெப்ப ஓட்டத்தின் முதல் கட்டத்தைத் தொடங்குகிறது.வணிக எல்ஐபிகளின் அனோட்களில் (உதாரணமாக, கார்பனேசியஸ் அனோட்கள்) இந்தப் பிரச்சினை தணிக்கப்பட்டாலும், லி டென்ட்ரைட் உருவாக்கம் முழுமையாகத் தடுக்கப்படவில்லை.எடுத்துக்காட்டாக, வணிக எல்ஐபிகளில், அனோட்களும் கேத்தோட்களும் சரியாக இணைக்கப்படாவிட்டால், கிராஃபைட் மின்முனை விளிம்புகளில் டென்ட்ரைட் படிவு முன்னுரிமையாக நிகழ்கிறது.கூடுதலாக, எல்ஐபிகளின் முறையற்ற செயல்பாட்டு நிலைமைகளும் டென்ட்ரைட் வளர்ச்சியுடன் லி உலோக படிவு ஏற்படலாம்.பேட்டரி சார்ஜ் செய்யப்பட்டால் (i) லி உலோகத்தின் படிவு அதிக கிராஃபைட்டில் உள்ள லி அயனிகளின் பரவலை விட வேகமாக இருக்கும் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் டென்ட்ரைட் எளிதில் உருவாகும் என்பது அனைவரும் அறிந்ததே.(ii) கிராஃபைட் மிகைப்படுத்தப்படும் போது அதிக கட்டணம் வசூலிக்கும் நிலைமைகளின் கீழ்;மற்றும் (iii) குறைந்த வெப்பநிலையில் [உதாரணமாக, துணை வெப்பநிலை (~0°C)], திரவ எலக்ட்ரோலைட்டின் அதிகரித்த பாகுத்தன்மை மற்றும் அதிகரித்த லி-அயன் பரவல் எதிர்ப்பின் காரணமாக.
பொருட்களின் பண்புகளின் பார்வையில், அனோடில் லி டென்ட்ரைட் வளர்ச்சியின் தொடக்கத்தைத் தீர்மானிக்கும் மூல தோற்றம் நிலையற்ற மற்றும் சீரற்ற SEI ஆகும், இது சீரற்ற உள்ளூர் மின்னோட்ட விநியோகத்தை ஏற்படுத்துகிறது.எலக்ட்ரோலைட் கூறுகள், குறிப்பாக சேர்க்கைகள், SEI சீரான தன்மையை மேம்படுத்தவும், லி டென்ட்ரைட் உருவாக்கத்தை அகற்றவும் ஆய்வு செய்யப்பட்டுள்ளன.வழக்கமான சேர்க்கைகளில் கனிம சேர்மங்கள் அடங்கும் [உதாரணமாக, CO2 , LiI , முதலியன] மற்றும் வினைலீன் கார்பனேட் மற்றும் மெலிமைடு சேர்க்கைகள் போன்ற நிறைவுறா கார்பன் பிணைப்புகளைக் கொண்ட கரிம சேர்மங்கள்;பியூட்டிரோலாக்டோன், எத்திலீன் சல்பைட் போன்ற நிலையற்ற சுழற்சி மூலக்கூறுகள் மற்றும் அவற்றின் வழித்தோன்றல்கள்;மற்றும் ஃவுளூரோஎத்திலீன் கார்பனேட் போன்ற ஃவுளூரைனேற்றப்பட்ட சேர்மங்கள் போன்றவை.ஒரு மில்லியனுக்கு பாகங்கள் என்ற அளவிலும் கூட, இந்த மூலக்கூறுகள் SEI உருவ அமைப்பை இன்னும் மேம்படுத்த முடியும், இதனால் லி-அயன் ஃப்ளக்ஸை ஒரே மாதிரியாக்குகிறது மற்றும் லி டென்ட்ரைட் உருவாவதற்கான வாய்ப்பை நீக்குகிறது.
ஒட்டுமொத்தமாக, Li dendrite சவால்கள் கிராஃபைட் அல்லது கார்பனேசியஸ் அனோட்கள் மற்றும் அடுத்த தலைமுறை அனோட்களைக் கொண்ட சிலிக்கான்/SiO ஆகியவற்றில் இன்னும் உள்ளன.Li dendrite வளர்ச்சியின் சிக்கலைத் தீர்ப்பது என்பது எதிர்காலத்தில் உயர் ஆற்றல் அடர்த்தி Li-ion இரசாயனங்களின் தழுவலுக்கு முக்கியமான ஒரு சவாலாகும்.லி படிவின் போது லி-அயன் ஃப்ளக்ஸை ஒரே மாதிரியாக மாற்றுவதன் மூலம் தூய லி மெட்டல் அனோட்களில் லி டென்ட்ரைட் உருவாவதற்கான சிக்கலைத் தீர்க்க, சமீபத்தில், கணிசமான முயற்சிகள் அர்ப்பணிக்கப்பட்டுள்ளன என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும்;எடுத்துக்காட்டாக, பாதுகாப்பு அடுக்கு பூச்சு , செயற்கை SEI பொறியியல் போன்றவை. இந்த அம்சத்தில், LIB களில் உள்ள கார்பனேசியஸ் அனோட்களில் உள்ள சிக்கலை எவ்வாறு சமாளிப்பது என்பதை சில முறைகள் வெளிச்சம் போட்டுக் காட்டலாம்.
மல்டிஃபங்க்ஸ்னல் திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகள் மற்றும் பிரிப்பான்கள்.திரவ எலக்ட்ரோலைட் மற்றும் பிரிப்பான் ஆகியவை உயர் ஆற்றல் கேத்தோடு மற்றும் நேர்மின்வாயை உடல் ரீதியாக பிரிப்பதில் முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன.இவ்வாறு, நன்கு வடிவமைக்கப்பட்ட மல்டிஃபங்க்ஸ்னல் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் மற்றும் பிரிப்பான்கள் பேட்டரி தெர்மல் ரன்அவே (நிலை 1) ஆரம்ப கட்டத்தில் பேட்டரிகளை கணிசமாக பாதுகாக்க முடியும்.
மெக்கானிக்கல் நசுக்குவதில் இருந்து பேட்டரிகளைப் பாதுகாக்க, கார்பனேட் எலக்ட்ரோலைட்டுடன் (EC/DMC இல் 1 M LiFP6) ஃப்யூம் செய்யப்பட்ட சிலிக்காவை எளிமையாகச் சேர்ப்பதன் மூலம் ஒரு வெட்டு தடித்தல் திரவ எலக்ட்ரோலைட் பெறப்பட்டது.இயந்திர அழுத்தம் அல்லது தாக்கத்தின் போது, திரவமானது பாகுத்தன்மையின் அதிகரிப்புடன் ஒரு வெட்டு தடித்தல் விளைவை வெளிப்படுத்துகிறது, எனவே தாக்க ஆற்றலைச் சிதறடித்து, நசுக்குவதற்கு சகிப்புத்தன்மையை வெளிப்படுத்துகிறது (படம் 3A)
படம் 3 நிலை 1 இல் உள்ள சிக்கல்களைத் தீர்ப்பதற்கான உத்திகள்.
(A) வெட்டு தடித்தல் எலக்ட்ரோலைட்.மேல்: சாதாரண எலக்ட்ரோலைட்டுக்கு, இயந்திரத் தாக்கம் பேட்டரியின் உள் பற்றாக்குறைக்கு வழிவகுக்கும், இதனால் தீ மற்றும் வெடிப்புகள் ஏற்படலாம்.கீழே: அழுத்தம் அல்லது தாக்கத்தின் கீழ் வெட்டு தடித்தல் விளைவைக் கொண்ட நாவல் ஸ்மார்ட் எலக்ட்ரோலைட் நசுக்குவதற்கு சிறந்த சகிப்புத்தன்மையை நிரூபிக்கிறது, இது பேட்டரிகளின் இயந்திர பாதுகாப்பை கணிசமாக மேம்படுத்தும்.(B) லித்தியம் டென்ட்ரைட்டுகளை முன்கூட்டியே கண்டறிவதற்கான இருசெயல் பிரிப்பான்கள்.ஒரு பாரம்பரிய லித்தியம் பேட்டரியில் டென்ட்ரைட் உருவாக்கம், ஒரு லித்தியம் டென்ட்ரைட் மூலம் பிரிப்பானின் முழுமையான ஊடுருவல், உள் ஷார்ட் சர்க்யூட் காரணமாக பேட்டரி செயலிழக்கும் போது மட்டுமே கண்டறியப்படுகிறது.ஒப்பிடுகையில், ஒரு லித்தியம் மின்கலம் ஒரு பைஃபங்க்ஸ்னல் பிரிப்பான் (இரண்டு வழக்கமான பிரிப்பான்களுக்கு இடையில் சாண்ட்விச் செய்யப்பட்ட ஒரு கடத்தும் அடுக்கு கொண்டது), அங்கு அதிகமாக வளர்ந்த லித்தியம் டென்ட்ரைட் பிரிப்பானில் ஊடுருவி, கடத்தும் தாமிர அடுக்குடன் தொடர்பை ஏற்படுத்துகிறது.VCu−Li, இது உள் குறுகிய சுற்று காரணமாக வரவிருக்கும் தோல்வியின் எச்சரிக்கையாக செயல்படுகிறது.இருப்பினும், முழு பேட்டரியும் பூஜ்ஜியமற்ற சாத்தியத்துடன் பாதுகாப்பாக இயங்குகிறது.(A) மற்றும் (B) ஸ்பிரிங்கர் நேச்சரின் அனுமதியுடன் தழுவி அல்லது மீண்டும் உருவாக்கப்படுகின்றன.(C) ட்ரைலேயர் பிரிப்பான் அபாயகரமான லி டென்ட்ரைட்டுகளை உட்கொள்வதற்கும் பேட்டரி ஆயுளை நீட்டிப்பதற்கும்.இடதுபுறம்: லித்தியம் அனோட்கள் எளிதில் டென்ட்ரிடிக் வைப்புகளை உருவாக்கலாம், அவை படிப்படியாக பெரிதாகி, மந்தமான பாலிமர் பிரிப்பானில் ஊடுருவலாம்.டென்ட்ரைட்டுகள் இறுதியாக கேத்தோடையும் அனோடையும் இணைக்கும்போது, பேட்டரி ஷார்ட் சர்க்யூட் செய்யப்பட்டு தோல்வியடைகிறது.வலது: சிலிக்கா நானோ துகள்களின் ஒரு அடுக்கு வணிக பாலிமர் பிரிப்பான்களின் இரண்டு அடுக்குகளால் சாண்ட்விச் செய்யப்பட்டது.எனவே, லித்தியம் டென்ட்ரைட்டுகள் வளர்ந்து பிரிப்பானை ஊடுருவிச் செல்லும் போது, அவை சாண்ட்விச் லேயரில் உள்ள சிலிக்கா நானோ துகள்களைத் தொடர்புகொண்டு மின்வேதியியல் ரீதியாக நுகரப்படும்.(D) சிலிக்கா நானோ துகள்கள் சாண்ட்விச் செய்யப்பட்ட பிரிப்பானின் ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி (SEM) படத்தை.(இ) வழக்கமான பிரிப்பான் (சிவப்பு வளைவு) மற்றும் சிலிக்கா நானோ துகள்கள் சாண்ட்விச் செய்யப்பட்ட ட்ரைலேயர் பிரிப்பான் (கருப்பு வளைவு) ஆகியவற்றைக் கொண்ட Li/Li பேட்டரியின் வழக்கமான மின்னழுத்தம் மற்றும் நேர விவரம் அதே நிலைமைகளின் கீழ் சோதிக்கப்பட்டது.(C), (D), மற்றும் (E) ஆகியவை ஜான் விலி மற்றும் சன்ஸ் அனுமதியுடன் மீண்டும் உருவாக்கப்படுகின்றன.(F) ரெடாக்ஸ் ஷட்டில் சேர்க்கைகளின் வழிமுறைகளின் திட்டவட்டமான விளக்கம்.ஒரு ஓவர் சார்ஜ் செய்யப்பட்ட கேதோட் மேற்பரப்பில், ரெடாக்ஸ் சேர்க்கையானது [O] வடிவத்தில் ஆக்ஸிஜனேற்றப்படுகிறது, இது பின்னர் எலக்ட்ரோலைட் மூலம் பரவுவதன் மூலம் அனோடின் மேற்பரப்பில் அதன் அசல் நிலைக்கு [R] குறைக்கப்படும்.ஆக்சிஜனேற்றம்-பரவல்-குறைப்பு-பரவல் ஆகியவற்றின் மின்வேதியியல் சுழற்சியை காலவரையின்றி பராமரிக்க முடியும், எனவே அபாயகரமான அதிகப்படியான சார்ஜிங்கிலிருந்து கேத்தோடு திறனைப் பூட்டுகிறது.(ஜி) ரெடாக்ஸ் ஷட்டில் சேர்க்கைகளின் வழக்கமான இரசாயன கட்டமைப்புகள்.(எச்) மின்வேதியியல் ரீதியாக உயர் ஆற்றல்களில் பாலிமரைஸ் செய்யக்கூடிய பணிநிறுத்தம் ஓவர்சார்ஜ் சேர்க்கைகளின் பொறிமுறை.(I) பணிநிறுத்தம் ஓவர்சார்ஜ் சேர்க்கைகளின் வழக்கமான இரசாயன கட்டமைப்புகள்.(G), (H), மற்றும் (I) இல் ஒவ்வொரு மூலக்கூறு கட்டமைப்பின் கீழும் சேர்க்கைகளின் வேலை திறன்கள் பட்டியலிடப்பட்டுள்ளன.
பிரிப்பான்கள் எதிர்மின்வாயில் மற்றும் நேர்மின்வாயிலை மின்னணு முறையில் காப்பிடலாம் மற்றும் பேட்டரியின் ஆரோக்கிய நிலையை கண்காணிப்பதில் முக்கிய பங்கு வகிக்கலாம்.படம் 3B) ஒரு புதிய மின்னழுத்த உணர்திறன் செயல்பாட்டை வழங்க முடியும்.ஒரு டென்ட்ரைட் வளர்ந்து இடைநிலை அடுக்கை அடையும் போது, அது உலோக அடுக்கு மற்றும் நேர்மின்முனையை இணைக்கும், இதனால் அவற்றுக்கிடையே திடீர் மின்னழுத்த வீழ்ச்சியை உடனடியாக ஒரு வெளியீட்டாகக் கண்டறிய முடியும்.
கண்டறிதல் தவிர, ட்ரைலேயர் பிரிப்பான் அபாயகரமான லி டென்ட்ரைட்டுகளை உட்கொள்வதற்கும் பிரிப்பானில் ஊடுருவிய பின் அவற்றின் வளர்ச்சியைக் குறைப்பதற்கும் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது.சிலிக்கா நானோ துகள்களின் ஒரு அடுக்கு, வணிக பாலியோலின் பிரிப்பான்களின் இரண்டு அடுக்குகளால் இணைக்கப்பட்டுள்ளது (படம் 3, C மற்றும் D), எந்த ஊடுருவும் அபாயகரமான Li dendrites ஐ உட்கொள்ளலாம், இதனால் பேட்டரி பாதுகாப்பை திறமையாக மேம்படுத்துகிறது.வழக்கமான பிரிப்பான்களுடன் ஒப்பிடும்போது பாதுகாக்கப்பட்ட பேட்டரியின் ஆயுள் கணிசமாக சுமார் ஐந்து மடங்கு நீட்டிக்கப்பட்டது (படம் 3E).
அதிக கட்டணம் வசூலிக்கும் பாதுகாப்பு.ஓவர்சார்ஜிங் என்பது ஒரு பேட்டரியை அதன் வடிவமைக்கப்பட்ட மின்னழுத்தத்திற்கு அப்பால் சார்ஜ் செய்வது என வரையறுக்கப்படுகிறது.அதிக குறிப்பிட்ட மின்னோட்ட அடர்த்தி, ஆக்கிரமிப்பு சார்ஜிங் சுயவிவரங்கள் போன்றவற்றால் ஓவர்சார்ஜிங் தூண்டப்படலாம், இது (i) அனோடில் லி மெட்டல் படிதல் உட்பட தொடர்ச்சியான சிக்கல்களைக் கொண்டு வரலாம், இது பேட்டரியின் மின்வேதியியல் செயல்திறன் மற்றும் பாதுகாப்பை கடுமையாக பாதிக்கிறது;(ii) கத்தோட் பொருளின் சிதைவு, ஆக்ஸிஜனை வெளியிடுதல்;மற்றும் (iii) கரிம எலக்ட்ரோலைட்டின் சிதைவு, வெப்பம் மற்றும் வாயு தயாரிப்புகளை (H2, ஹைட்ரோகார்பன்கள், CO, முதலியன) வெளியிடுதல், அவை வெப்ப ஓட்டத்திற்கு பொறுப்பாகும்.சிதைவின் போது மின் வேதியியல் எதிர்வினைகள் சிக்கலானவை, அவற்றில் சில கீழே பட்டியலிடப்பட்டுள்ளன.
ஹைட்ரஜன் வாயு புரோட்டிக்கிலிருந்து உருவாகிறது என்பதை நட்சத்திரக் குறியீடு (*) குறிக்கிறது, கேத்தோடில் கார்பனேட்டுகளின் ஆக்சிஜனேற்றத்தின் போது உருவாகும் குழுக்களை விட்டுச்செல்கிறது, பின்னர் அவை அனோடில் பரவி குறைக்கப்பட்டு H2 ஐ உருவாக்குகின்றன.
அவற்றின் செயல்பாடுகளில் உள்ள வேறுபாடுகளின் அடிப்படையில், ஓவர்சார்ஜ் பாதுகாப்பு சேர்க்கைகளை ரெடாக்ஸ் ஷட்டில் சேர்க்கைகள் மற்றும் பணிநிறுத்தம் சேர்க்கைகள் என வகைப்படுத்தலாம்.முந்தையது கலத்தை அதிக கட்டணம் வசூலிக்காமல் பாதுகாக்கிறது, பிந்தையது செல் செயல்பாட்டை நிரந்தரமாக நிறுத்துகிறது.
ரெடாக்ஸ் ஷட்டில் சேர்க்கைகள் மின் வேதியியல் முறையில் பேட்டரியில் செலுத்தப்படும் அதிகப்படியான மின்னூட்டத்தை நிறுத்துவதன் மூலம் செயல்படுகின்றன.இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடிபடம் 3F, பொறிமுறையானது ஒரு ரெடாக்ஸ் சேர்க்கையை அடிப்படையாகக் கொண்டது, இது எலக்ட்ரோலைட் அனோடிக் சிதைவை விட சற்று குறைவான ஆக்ஸிஜனேற்ற திறனைக் கொண்டுள்ளது.அதிக சார்ஜ் செய்யப்பட்ட கேத்தோடு மேற்பரப்பில், ரெடாக்ஸ் சேர்க்கையானது [O] வடிவத்திற்கு ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யப்படுகிறது, இது எலக்ட்ரோலைட் மூலம் பரவிய பிறகு நேர்மின்முனையின் மேற்பரப்பில் அதன் அசல் நிலைக்கு [R] குறைக்கப்படும்.பின்னர், குறைக்கப்பட்ட சேர்க்கை மீண்டும் கேத்தோடிற்கு பரவக்கூடும், மேலும் "ஆக்சிடேஷன்-டிஃப்யூஷன்-குறைப்பு-பரவல்" என்ற மின்வேதியியல் சுழற்சியை காலவரையின்றி பராமரிக்கலாம், எனவே கேத்தோட் திறனை மேலும் அபாயகரமான ஓவர் சார்ஜிங்கிலிருந்து பூட்டுகிறது.சேர்க்கைகளின் ரெடாக்ஸ் திறன் கேத்தோடின் திறனை விட 0.3 முதல் 0.4 V வரை இருக்க வேண்டும் என்று ஆய்வுகள் காட்டுகின்றன.
ஆர்கனோமெட்டாலிக் மெட்டாலோசீன்கள், பினோதியசைன்கள், டிரிபெனிலமைன்கள், டைமெத்தாக்சிபென்சீன்கள் மற்றும் அவற்றின் வழித்தோன்றல்கள் மற்றும் 2-(பென்டாஃப்ளூரோஃபெனைல்)-டெட்ராஃப்ளூரோ-1,3,2-பென் (டெட்ராபுளோரோ-1,3,2-பென்) உட்பட, நன்கு வடிவமைக்கப்பட்ட இரசாயன கட்டமைப்புகள் மற்றும் ரெடாக்ஸ் ஆற்றல்களுடன் கூடிய தொடர்ச்சியான சேர்க்கைகள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன.படம் 3ஜி)மூலக்கூறு கட்டமைப்புகளைத் தையல் செய்வதன் மூலம், சேர்க்கை ஆக்சிஜனேற்றத் திறன்களை 4 V க்கு மேல் மாற்றலாம், இது வேகமாக வளரும் உயர் மின்னழுத்த கேத்தோடு பொருட்கள் மற்றும் எலக்ட்ரோலைட்டுகளுக்கு ஏற்றது.அடிப்படை வடிவமைப்புக் கொள்கையானது எலக்ட்ரான்-திரும்பப் பெறும் மாற்றுகளைச் சேர்ப்பதன் மூலம் சேர்க்கையின் அதிக ஆக்கிரமிக்கப்பட்ட மூலக்கூறு சுற்றுப்பாதையைக் குறைப்பதை உள்ளடக்கியது, இது ஆக்சிஜனேற்றத் திறனை அதிகரிக்க வழிவகுக்கிறது.கரிம சேர்க்கைகள் தவிர, சில கனிம உப்புகள், எலக்ட்ரோலைட் உப்பாக செயல்படுவது மட்டுமல்லாமல், பெர்ஃப்ளூரோபோரேன் கிளஸ்டர் உப்புகள் [அதாவது, லித்தியம் ஃப்ளோரோடோடெகாபரேட்டுகள் (Li2B12F) போன்ற ரெடாக்ஸ் ஷட்டிலாகவும் செயல்படும்.xH12−x)], திறமையான ரெடாக்ஸ் ஷட்டில் சேர்க்கைகளாகவும் கண்டறியப்பட்டுள்ளன.
பணிநிறுத்தம் ஓவர்சார்ஜ் சேர்க்கைகள் மீளமுடியாத ஓவர்சார்ஜ் பாதுகாப்பு சேர்க்கைகளின் வகுப்பாகும்.அவை அதிக ஆற்றல்களில் வாயுவை வெளியிடுவதன் மூலம் செயல்படுகின்றன, இது தற்போதைய குறுக்கீடு சாதனத்தை செயல்படுத்துகிறது, அல்லது பேரழிவு முடிவுகள் ஏற்படும் முன் பேட்டரி செயல்பாட்டை நிறுத்த அதிக ஆற்றல்களில் நிரந்தரமாக மின்வேதியியல் பாலிமரைஸ் செய்வதன் மூலம் (படம் 3H)முந்தையவற்றின் எடுத்துக்காட்டுகளில் சைலீன், சைக்ளோஹெக்சில்பென்சீன் மற்றும் பைபீனைல் ஆகியவை அடங்கும், பிந்தையவற்றின் எடுத்துக்காட்டுகளில் பைபீனைல் மற்றும் பிற மாற்று நறுமண கலவைகள் அடங்கும் (படம் 3I)இந்த சேர்மங்களின் மீளமுடியாத ஆக்சிஜனேற்றம் காரணமாக, பணிநிறுத்தம் சேர்க்கைகளின் எதிர்மறை விளைவுகள் இன்னும் நீண்ட கால செயல்பாடு மற்றும் LIB களின் சேமிப்பு செயல்திறன் ஆகும்.
நிலை 2 இல் உள்ள சிக்கல்களைத் தீர்க்க (வெப்பக் குவிப்பு மற்றும் வாயு வெளியீட்டு செயல்முறை)
நம்பகமான கேத்தோடு பொருட்கள்.லித்தியம் மாற்றம் உலோக ஆக்சைடுகள், அடுக்கு ஆக்சைடுகள் LiCoO2, LiNiO2 மற்றும் LiMnO2 போன்றவை;ஸ்பைனல் வகை ஆக்சைடு LiM2O4;மற்றும் பாலியானியன் வகை LiFePO4, பிரபலமாகப் பயன்படுத்தப்படும் கேத்தோடு பொருட்கள், இருப்பினும், குறிப்பாக அதிக வெப்பநிலையில் பாதுகாப்புச் சிக்கல்கள் உள்ளன.அவற்றில், ஆலிவைன்-கட்டமைக்கப்பட்ட LiFePO4 ஒப்பீட்டளவில் பாதுகாப்பானது, இது 400 ° C வரை நிலையானது, அதே நேரத்தில் LiCoO2 250 ° C இல் சிதையத் தொடங்குகிறது.LiFePO4 இன் மேம்படுத்தப்பட்ட பாதுகாப்பிற்கான காரணம் என்னவென்றால், அனைத்து ஆக்ஸிஜன் அயனிகளும் P5+ உடன் வலுவான கோவலன்ட் பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றன, இது PO43− டெட்ராஹெட்ரல் பாலியானியன்களை உருவாக்குகிறது, இது முழு முப்பரிமாண கட்டமைப்பையும் உறுதிப்படுத்துகிறது மற்றும் பிற கேத்தோடு பொருட்களுடன் ஒப்பிடும்போது மேம்பட்ட நிலைத்தன்மையை வழங்குகிறது. சில பேட்டரி தீ விபத்துகள் பதிவாகியுள்ளன.உயர்ந்த வெப்பநிலையில் இந்த கேத்தோடு பொருட்களின் சிதைவு மற்றும் ஒரே நேரத்தில் ஆக்ஸிஜன் வெளியீடு ஆகியவற்றிலிருந்து முக்கிய பாதுகாப்பு கவலை எழுகிறது, இது எரிப்பு மற்றும் வெடிப்புகளுக்கு வழிவகுக்கும், இது பேட்டரி பாதுகாப்பை தீவிரமாக சமரசம் செய்கிறது.எடுத்துக்காட்டாக, அடுக்கு ஆக்சைடு LiNiO2 இன் படிக அமைப்பு Ni2+ இருப்பதால் நிலையற்றது, இதன் அயனி அளவு Li+ ஐப் போன்றது.நீக்கப்பட்ட லிxNiO2 (x<1) மிகவும் நிலையான ஸ்பைனல்-வகை கட்டம் LiNi2O4 (ஸ்பைனல்) மற்றும் ராக்சால்ட்-வகை NiO ஆக மாற்ற முனைகிறது, ஆக்சிஜன் திரவ எலக்ட்ரோலைட்டில் சுமார் 200 ° C இல் வெளியிடப்பட்டது, இது எலக்ட்ரோலைட் எரிப்புக்கு வழிவகுக்கிறது.
அணு ஊக்கமருந்து மற்றும் மேற்பரப்பு பாதுகாப்பு பூச்சுகள் மூலம் இந்த கேத்தோடு பொருட்களின் வெப்ப நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்த கணிசமான முயற்சிகள் மேற்கொள்ளப்பட்டுள்ளன.
அணு ஊக்கமருந்து, நிலைப்படுத்தப்பட்ட படிக அமைப்புகளின் காரணமாக அடுக்கு ஆக்சைடு பொருட்களின் வெப்ப நிலைத்தன்மையை கணிசமாக அதிகரிக்கும்.LiNiO2 அல்லது Li1.05Mn1.95O4 இன் வெப்ப நிலைத்தன்மையை Co, Mn, Mg மற்றும் Al போன்ற மற்ற உலோகக் கேஷன்களுடன் Ni அல்லது Mn பகுதியளவு மாற்றுவதன் மூலம் கணிசமாக மேம்படுத்தலாம்.LiCoO2 க்கு, Ni மற்றும் Mn போன்ற ஊக்கமருந்து மற்றும் கலப்பு கூறுகளின் அறிமுகம் சிதைவின் தொடக்க வெப்பநிலையை கடுமையாக அதிகரிக்கலாம்.Tடிசம்பர், அதே நேரத்தில் அதிக வெப்பநிலையில் எலக்ட்ரோலைட்டுடன் எதிர்வினைகளைத் தவிர்க்கவும்.இருப்பினும், பொதுவாக கத்தோட் வெப்ப நிலைத்தன்மையின் அதிகரிப்பு குறிப்பிட்ட திறனில் தியாகம் செய்யப்படுகிறது.இந்தச் சிக்கலைத் தீர்க்க, அடுக்கு லித்தியம் நிக்கல் கோபால்ட் மாங்கனீசு ஆக்சைடை அடிப்படையாகக் கொண்டு ரிச்சார்ஜபிள் லித்தியம் பேட்டரிகளுக்கான செறிவு-சாய்வு கேத்தோடு பொருள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளது (படம் 4A) .இந்தப் பொருளில், ஒவ்வொரு துகளும் Ni-ரிச் சென்ட்ரல் பில்க் மற்றும் Mn நிறைந்த வெளிப்புற அடுக்கு, Ni செறிவு குறைகிறது மற்றும் மேற்பரப்பை நெருங்கும்போது Mn மற்றும் Co செறிவுகளை அதிகரிக்கிறது (படம் 4B)முந்தையது அதிக திறனை வழங்குகிறது, பிந்தையது வெப்ப நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துகிறது.இந்த நாவல் கத்தோட் பொருள் பேட்டரிகளின் மின்வேதியியல் செயல்திறனை சமரசம் செய்யாமல் பாதுகாப்பை மேம்படுத்துவதாகக் காட்டப்பட்டது (படம் 4C).
படம் 4 நிலை 2 இல் உள்ள சிக்கல்களைத் தீர்ப்பதற்கான உத்திகள்: நம்பகமான கத்தோட்கள்.
(A) ஒரு செறிவு-கிரேடியன்ட் வெளிப்புற அடுக்கால் சூழப்பட்ட Ni-ரிச் கோர் கொண்ட நேர்மறை மின்முனைத் துகள்களின் திட்ட வரைபடம்.ஒவ்வொரு துகளிலும் Ni செறிவு குறையும் மற்றும் Mn மற்றும் Co செறிவுகள் அதிகரிக்கும் ஒரு Ni-செறிவான மத்திய மொத்த Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 மற்றும் Mn நிறைந்த வெளிப்புற அடுக்கு [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] உள்ளது. மேற்பரப்பு நெருங்கி வரும்போது.முந்தையது அதிக திறனை வழங்குகிறது, அதேசமயம் பிந்தையது வெப்ப நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துகிறது.சராசரி கலவை Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.ஒரு பொதுவான துகளின் ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் மைக்ரோகிராஃப் வலதுபுறத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளது.(B) எலக்ட்ரான்-ஆய்வு எக்ஸ்ரே நுண்ணுயிர் பகுப்பாய்வு இறுதி லித்தியேற்றப்பட்ட ஆக்சைடு Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2.இடைநிலையில் Ni, Mn மற்றும் Co இன் படிப்படியான செறிவு மாற்றங்கள் தெளிவாகத் தெரிகிறது.Ni செறிவு குறைகிறது, மேலும் Co மற்றும் Mn செறிவுகள் மேற்பரப்பை நோக்கி அதிகரிக்கும்.(சி) டிஃபெரன்ஷியல் ஸ்கேனிங் கலோரிமெட்ரி (டிஎஸ்சி) ட்ரேஸ்கள், செறிவு-கிரேடியன்ட் மெட்டீரியலான லி(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, Ni-ரிச் சென்ட்ரல் மெட்டீரியல் Li(Ni0.8Co0.1Mn0) உடன் எலக்ட்ரோலைட்டின் எதிர்வினையிலிருந்து வெப்ப ஓட்டத்தைக் காட்டுகிறது. 1)O2, மற்றும் Mn நிறைந்த வெளிப்புற அடுக்கு [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].பொருட்கள் 4.3 V. (A), (B), மற்றும் (C) க்கு வசூலிக்கப்பட்டன, அவை ஸ்பிரிங்கர் நேச்சரின் அனுமதியுடன் மீண்டும் உருவாக்கப்படுகின்றன.(D) இடது: ஒலிபரப்பு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (TEM) AlPO4 நானோ துகள்கள்-பூசப்பட்ட LiCoO2 இன் பிரகாசமான புலப் படம்;ஆற்றல் பரவல் எக்ஸ்ரே ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி பூச்சு அடுக்கில் உள்ள அல் மற்றும் பி கூறுகளை உறுதிப்படுத்துகிறது.வலது: நானோ அளவிலான பூச்சு அடுக்கில் AlPO4 நானோ துகள்கள் (~3 nm விட்டம்) காட்டும் உயர்-தெளிவு TEM படம்;அம்புகள் AlPO4 அடுக்கு மற்றும் LiCoO2 இடையே உள்ள இடைமுகத்தைக் குறிக்கின்றன.(இ) இடதுபுறம்: 12-வி ஓவர்சார்ஜ் சோதனைக்குப் பிறகு வெற்று LiCoO2 கேத்தோடு கொண்ட கலத்தின் படம்.அந்த மின்னழுத்தத்தில் செல் எரிந்து வெடித்தது.வலது: 12-V ஓவர்சார்ஜ் சோதனைக்குப் பிறகு AlPO4 நானோ துகள்கள்-பூசப்பட்ட LiCoO2 உள்ள கலத்தின் படம்.(D) மற்றும் (E) ஜான் விலே மற்றும் சன்ஸ் அனுமதியுடன் மீண்டும் உருவாக்கப்படுகின்றன.
வெப்ப நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதற்கான மற்றொரு உத்தி, வெப்ப நிலைத்தன்மையுள்ள Li+ கடத்தும் சேர்மங்களின் பாதுகாப்பு மெல்லிய அடுக்குடன் கேத்தோடு பொருளைப் பூசுவது ஆகும், இது மின்னாற்பகுப்புடன் கேத்தோடு பொருட்களின் நேரடித் தொடர்பைத் தடுக்கும், இதனால் பக்கவிளைவுகள் மற்றும் வெப்ப உருவாக்கம் குறைகிறது.பூச்சுகள் கனிமப் படங்களாக இருக்கலாம் [உதாரணமாக, ZnO , Al2O3, AlPO4 , AlF3 போன்றவை], அவை லிதியேட் செய்யப்பட்ட பிறகு Li அயனிகளை நடத்தலாம் (படம் 4, D மற்றும் E), அல்லது கரிமப் படங்கள், அதாவது பாலி(டயல்ல்டிமெதைலமோனியம் குளோரைடு) , γ-பியூட்டிரோலாக்டோன் சேர்க்கைகள் மற்றும் மல்டிகம்பொனென்ட் சேர்க்கைகள் (வினைலீன் கார்பனேட், 1,3-புரோப்பிலீன் சல்பைட் மற்றும் டைமெதிலாசெட்டமைடு கொண்டது) ஆகியவற்றால் உருவாக்கப்பட்ட பாதுகாப்பு படங்கள்.
நேர்மறை வெப்பநிலை குணகம் கொண்ட பூச்சு அறிமுகப்படுத்துவது கேத்தோடு பாதுகாப்பை அதிகரிப்பதற்கும் பயனுள்ளதாக இருக்கும்.எடுத்துக்காட்டாக, பாலி(3-டெசில்தியோபீன்)-பூசப்பட்ட LiCoO2 கேத்தோட்கள் மின்வேதியியல் எதிர்வினைகள் மற்றும் பக்கவிளைவுகளை நிறுத்தலாம், வெப்பநிலை>80°C வரை உயரும் போது, கடத்தும் பாலிமர் அடுக்கு விரைவாக அதிக எதிர்ப்பு நிலைக்கு மாற்றும்.உயர்-கிளையிடப்பட்ட கட்டிடக்கலை கொண்ட சுய-முடக்கப்பட்ட ஒலிகோமர்களின் பூச்சுகள், கேத்தோடு பக்கத்திலிருந்து பேட்டரியை மூடுவதற்கு வெப்பமாக பதிலளிக்கக்கூடிய தடுப்பு அடுக்காகவும் செயல்படும்.
வெப்பமாக மாறக்கூடிய தற்போதைய சேகரிப்பான்.நிலை 2 இல் பேட்டரி வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது மின்வேதியியல் எதிர்வினைகளை நிறுத்துவது வெப்பநிலை மேலும் அதிகரிப்பதைத் திறம்பட தடுக்கலாம்.வேகமான மற்றும் மீளக்கூடிய தெர்மோர்ஸ்பான்சிவ் பாலிமர் ஸ்விட்சிங் (TRPS) தற்போதைய சேகரிப்பாளரில் உள்நாட்டில் இணைக்கப்பட்டுள்ளது (படம் 5A) .TRPS மெல்லிய படமானது கடத்தும் கிராபெனின்-பூசப்பட்ட ஸ்பைக்கி நானோ கட்டமைக்கப்பட்ட நிக்கல் (GrNi) துகள்களை கடத்தும் நிரப்பியாகவும், ஒரு பெரிய வெப்ப விரிவாக்க குணகம் (α ~ 10−4 K−1) கொண்ட PE மேட்ரிக்ஸையும் கொண்டுள்ளது.தயாரிக்கப்பட்ட பாலிமர் கலவை படங்கள் அறை வெப்பநிலையில் அதிக கடத்துத்திறனை (σ) காட்டுகின்றன, ஆனால் வெப்பநிலை மாறுதல் வெப்பநிலையை நெருங்கும் போது (Ts), பாலிமர் தொகுதி விரிவாக்கத்தின் விளைவாக கடத்துத்திறன் 1 வினாடிகளுக்குள் ஏழு முதல் எட்டு ஆர்டர்களால் குறைகிறது, இது கடத்தும் துகள்களைப் பிரித்து கடத்தும் பாதைகளை உடைக்கிறது (படம் 5B)படம் உடனடியாக இன்சுலேடிங் ஆகிறது, இதனால் பேட்டரி செயல்பாட்டை நிறுத்துகிறது (படம் 5C)இந்த செயல்முறை மிகவும் மீளக்கூடியது மற்றும் செயல்திறன் சமரசம் செய்யாமல் பல வெப்பமயமாதல் நிகழ்வுகளுக்குப் பிறகும் செயல்பட முடியும்.
படம் 5 நிலை 2 இல் உள்ள சிக்கல்களைத் தீர்ப்பதற்கான உத்திகள்.
(A) TRPS மின்னோட்ட சேகரிப்பாளரின் வெப்ப மாறுதல் பொறிமுறையின் திட்டவட்டமான விளக்கம்.பாதுகாப்பான பேட்டரியில் ஒன்று அல்லது இரண்டு தற்போதைய சேகரிப்பான்கள் மெல்லிய TRPS லேயருடன் பூசப்பட்டிருக்கும்.இது அறை வெப்பநிலையில் சாதாரணமாக இயங்கும்.இருப்பினும், அதிக வெப்பநிலை அல்லது பெரிய மின்னோட்டத்தில், பாலிமர் மேட்ரிக்ஸ் விரிவடைகிறது, இதனால் கடத்தும் துகள்களைப் பிரிக்கிறது, இது அதன் கடத்துத்திறனைக் குறைக்கிறது, அதன் எதிர்ப்பை பெரிதும் அதிகரிக்கிறது மற்றும் பேட்டரியை மூடுகிறது.இதனால் பேட்டரி கட்டமைப்பை சேதமின்றி பாதுகாக்க முடியும்.குளிர்ச்சியின் போது, பாலிமர் சுருங்கி அசல் கடத்தும் பாதைகளை மீண்டும் பெறுகிறது.(B) வெவ்வேறு GrNi ஏற்றுதல்களுடன் PE/GrNi மற்றும் GrNi இன் 30% (v/v) ஏற்றத்துடன் PP/GrNi உட்பட, வெப்பநிலையின் செயல்பாடாக வெவ்வேறு TRPS படங்களின் எதிர்ப்பாற்றல் மாற்றங்கள்.(C) 25°C மற்றும் பணிநிறுத்தம் இடையே பாதுகாப்பான LiCoO2 பேட்டரி சைக்கிள் ஓட்டுதலின் திறன் சுருக்கம்.70°C இல் பூஜ்ஜியத்திற்கு அருகில் உள்ள திறன் முழு பணிநிறுத்தத்தைக் குறிக்கிறது.(A), (B), மற்றும் (C) ஆகியவை ஸ்பிரிங்கர் நேச்சரின் அனுமதியுடன் மீண்டும் உருவாக்கப்படுகின்றன.(D) LIBகளுக்கான மைக்ரோஸ்பியர் அடிப்படையிலான பணிநிறுத்தம் கருத்தின் திட்டவட்டமான பிரதிநிதித்துவம்.மின்முனைகள் தெர்மோர்ஸ்பாசிவ் மைக்ரோஸ்பியர்களுடன் செயல்படுகின்றன, அவை முக்கியமான உள் பேட்டரி வெப்பநிலைக்கு மேல், வெப்ப மாற்றத்திற்கு (உருகுகின்றன).உருகிய காப்ஸ்யூல்கள் மின்முனையின் மேற்பரப்பைப் பூசி, அயனியாக இன்சுலேடிங் தடையை உருவாக்கி, பேட்டரி கலத்தை மூடுகிறது.(இ) 94% அலுமினா துகள்கள் மற்றும் 6% ஸ்டைரீன்-பியூடாடீன் ரப்பர் (SBR) பைண்டரைக் கொண்ட ஒரு மெல்லிய மற்றும் சுயமாக நிற்கும் கனிம கலவை சவ்வு ஒரு தீர்வு வார்ப்பு முறை மூலம் தயாரிக்கப்பட்டது.வலது: கனிம கலவை பிரிப்பான் மற்றும் PE பிரிப்பானின் வெப்ப நிலைத்தன்மையைக் காட்டும் புகைப்படங்கள்.பிரிப்பான்கள் 40 நிமிடங்களுக்கு 130 ° C இல் வைக்கப்பட்டன.புள்ளியிடப்பட்ட சதுரம் உள்ள பகுதியிலிருந்து PE கணிசமாக சுருங்கியது.இருப்பினும், கலப்பு பிரிப்பான் வெளிப்படையான சுருக்கத்தைக் காட்டவில்லை.எல்சேவியரின் அனுமதியுடன் மறுஉருவாக்கம் செய்யப்பட்டது.(F) சில உயர்-உருகும் வெப்பநிலை பாலிமர்களின் மூலக்கூறு அமைப்பு, குறைந்த உயர் வெப்பநிலை சுருக்கம் கொண்ட பிரிப்பான் பொருட்கள்.மேல்: பாலிமைடு (PI).நடுத்தர: செல்லுலோஸ்.கீழே: பாலி(பியூட்டிலீன்) டெரெப்தாலேட்.(ஜி) இடது: PI இன் DSC ஸ்பெக்ட்ராவை PE மற்றும் PP பிரிப்பானுடன் ஒப்பிடுதல்;PI பிரிப்பான் 30° முதல் 275°C வரையிலான வெப்பநிலை வரம்பில் சிறந்த வெப்ப நிலைத்தன்மையைக் காட்டுகிறது.வலது: டிஜிட்டல் கேமரா புகைப்படங்கள், வணிகப் பிரிப்பான் மற்றும் ப்ரோப்பிலீன் கார்பனேட் எலக்ட்ரோலைட்டுடன் ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட PI பிரிப்பானின் ஈரத்தன்மையை ஒப்பிடுகின்றன.அமெரிக்க கெமிக்கல் சொசைட்டியின் அனுமதியுடன் மறுஉருவாக்கம் செய்யப்பட்டது.
வெப்ப பணிநிறுத்தம் பிரிப்பான்கள்.கட்டம் 2 இன் போது வெப்ப ரன்அவேயில் இருந்து பேட்டரிகளைத் தடுப்பதற்கான மற்றொரு உத்தி, பிரிப்பான் மூலம் Li அயனிகளின் கடத்தல் பாதையை மூடுவதாகும்.பிரிப்பான்கள் LIB களின் பாதுகாப்பிற்கான முக்கிய கூறுகளாகும், ஏனெனில் அவை அயனி போக்குவரத்தை அனுமதிக்கும் போது உயர்-ஆற்றல் கேத்தோடு மற்றும் அனோட் பொருட்களுக்கு இடையே நேரடி மின் தொடர்பைத் தடுக்கின்றன.PP மற்றும் PE ஆகியவை பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் பொருட்கள், ஆனால் அவை முறையே ~165° மற்றும் ~135°C உருகும் புள்ளிகளுடன் மோசமான வெப்ப நிலைத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளன.வணிக ரீதியான LIBக்கு, PP/PE/PP ட்ரைலேயர் கட்டமைப்பைக் கொண்ட பிரிப்பான்கள் ஏற்கனவே வணிகமயமாக்கப்பட்டுள்ளன, இதில் PE என்பது ஒரு பாதுகாப்பான நடுத்தர அடுக்கு ஆகும்.பேட்டரியின் உள் வெப்பநிலை ஒரு முக்கியமான வெப்பநிலைக்கு (~130°C) மேல் அதிகரிக்கும் போது, நுண்துளை PE அடுக்கு ஓரளவு உருகி, படத்துளைகளை மூடி, திரவ எலக்ட்ரோலைட்டில் அயனிகள் இடம்பெயர்வதைத் தடுக்கிறது, அதே சமயம் PP அடுக்கு உட்புறத்தைத் தவிர்க்க இயந்திர ஆதரவை வழங்குகிறது. சுருக்கம் .மாற்றாக, பேட்டரி அனோட்கள் அல்லது பிரிப்பான்களின் பாதுகாப்பு அடுக்காக தெர்மோர்ஸ்பான்சிவ் PE அல்லது பாரஃபின் மெழுகு மைக்ரோஸ்பியர்களைப் பயன்படுத்துவதன் மூலமும் LIB இன் வெப்பத்தால் தூண்டப்பட்ட பணிநிறுத்தத்தை அடைய முடியும்.உள் பேட்டரி வெப்பநிலை ஒரு முக்கிய மதிப்பை அடையும் போது, மைக்ரோஸ்பியர்ஸ் உருகி அனோட்/செப்பரேட்டரை ஒரு ஊடுருவ முடியாத தடையுடன் பூசுகிறது, லி-அயன் போக்குவரத்தை நிறுத்துகிறது மற்றும் கலத்தை நிரந்தரமாக மூடுகிறது (படம் 5D).
அதிக வெப்ப நிலைத்தன்மை கொண்ட பிரிப்பான்கள்.பேட்டரி பிரிப்பான்களின் வெப்ப நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்த, கடந்த பல ஆண்டுகளில் இரண்டு அணுகுமுறைகள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன:
(1) செராமிக்-மேம்படுத்தப்பட்ட பிரிப்பான்கள், நேரடி பூச்சு அல்லது SiO2 மற்றும் Al2O3 போன்ற பீங்கான் அடுக்குகளின் மேற்பரப்பு வளர்ச்சியால் புனையப்பட்டிருக்கும் பாலியோலிஃபின் பிரிப்பான் பரப்புகளில் அல்லது பாலிமெரிக் பொருட்களில் பதிக்கப்பட்ட பீங்கான் பொடிகள் (படம் 5E) , மிக அதிக உருகும் புள்ளிகள் மற்றும் அதிக இயந்திர வலிமையைக் காட்டுவதுடன் ஒப்பீட்டளவில் அதிக வெப்ப கடத்துத்திறனையும் கொண்டுள்ளது.இந்த மூலோபாயத்தின் மூலம் புனையப்பட்ட சில கலப்பு பிரிப்பான்கள் வணிகமயமாக்கப்பட்டுள்ளன, அதாவது Separion (ஒரு வர்த்தக பெயர்).
(2) பாலிமைடு, செல்லுலோஸ், பாலி(பியூட்டிலீன்) டெரெப்தாலேட் மற்றும் பிற ஒத்த பாலி(எஸ்டர்கள்) போன்ற வெப்பத்தின் போது குறைந்த சுருக்கம் கொண்ட பாலியோலிஃபினிலிருந்து உயர்-உருகும் வெப்பநிலை பாலிமர்களுக்கு பிரிப்பான் பொருட்களை மாற்றுவது வெப்ப நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதற்கான மற்றொரு பயனுள்ள உத்தியாகும். பிரிப்பான்கள் (படம் 5F)எடுத்துக்காட்டாக, பாலிமைடு ஒரு தெர்மோசெட்டிங் பாலிமர் ஆகும், ஏனெனில் அதன் சிறந்த வெப்ப நிலைப்புத்தன்மை (400 ° C க்கு மேல் நிலையானது), நல்ல இரசாயன எதிர்ப்பு, அதிக இழுவிசை வலிமை, நல்ல எலக்ட்ரோலைட் ஈரப்பதம் மற்றும் சுடர் தடுப்பு (படம் 5G) .
குளிரூட்டும் செயல்பாடு கொண்ட பேட்டரி தொகுப்புகள்.காற்று சுழற்சி அல்லது திரவ குளிரூட்டல் மூலம் இயக்கப்பட்ட சாதன அளவிலான வெப்ப மேலாண்மை அமைப்புகள் பேட்டரி செயல்திறனை மேம்படுத்தவும் வெப்பநிலை அதிகரிப்பை மெதுவாக்கவும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.கூடுதலாக, பாரஃபின் மெழுகு போன்ற கட்ட-மாற்ற பொருட்கள் பேட்டரி பேக்குகளில் ஒருங்கிணைக்கப்பட்டு அவற்றின் வெப்பநிலையை சீராக்க வெப்ப மூழ்கியாக செயல்படுகின்றன, எனவே வெப்பநிலை துஷ்பிரயோகம் தவிர்க்கப்படுகிறது.
நிலை 3 இல் உள்ள சிக்கல்களைத் தீர்க்க (எரிதல் மற்றும் வெடிப்பு)
"தீ முக்கோணம்" என்று அழைக்கப்படும் வெப்பம், ஆக்ஸிஜன் மற்றும் எரிபொருள் ஆகியவை பெரும்பாலான தீக்கு தேவையான பொருட்கள் ஆகும்.1 மற்றும் 2 நிலைகளின் போது உருவாகும் வெப்பம் மற்றும் ஆக்ஸிஜனின் திரட்சியுடன், எரிபொருள் (அதாவது, அதிக எரியக்கூடிய எலக்ட்ரோலைட்டுகள்) தானாகவே எரிய ஆரம்பிக்கும்.எலக்ட்ரோலைட் கரைப்பான்களின் எரியக்கூடிய தன்மையைக் குறைப்பது பேட்டரி பாதுகாப்பு மற்றும் LIB களின் பெரிய அளவிலான பயன்பாடுகளுக்கு இன்றியமையாதது.
சுடர்-தடுப்பு சேர்க்கைகள்.திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் எரியக்கூடிய தன்மையைக் குறைக்க, சுடர்-தடுப்பு சேர்க்கைகளின் வளர்ச்சிக்கு மிகப்பெரிய ஆராய்ச்சி முயற்சிகள் அர்ப்பணிக்கப்பட்டுள்ளன.திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகளில் பயன்படுத்தப்படும் பெரும்பாலான சுடர்-தடுப்பு சேர்க்கைகள் கரிம பாஸ்பரஸ் கலவைகள் அல்லது கரிம ஆலஜனேற்ற கலவைகளை அடிப்படையாகக் கொண்டவை.ஆலசன்கள் சுற்றுச்சூழலுக்கும் மனித ஆரோக்கியத்துக்கும் அபாயகரமானவை என்பதால், கரிம பாஸ்பரஸ் கலவைகள் அதிக சுடர்-தடுப்பு திறன் மற்றும் சுற்றுச்சூழல் நேசம் ஆகியவற்றின் காரணமாக சுடர்-தடுப்பு சேர்க்கைகளாக வேட்பாளர்களுக்கு அதிக நம்பிக்கையளிக்கின்றன.வழக்கமான கரிம பாஸ்பரஸ் சேர்மங்களில் ட்ரைமெதில் பாஸ்பேட், டிரிபெனைல் பாஸ்பேட், பிஸ்(2-மெத்தாக்ஸிதாக்ஸி)மெதில்லில்பாஸ்போனேட், டிரிஸ்(2,2,2-ட்ரைஃப்ளூரோஎத்தில்) பாஸ்பைட், (எத்தோக்சி)பென்டாபுளோரோசைக்ளோட்ரிபாஸ்பசீன், எத்திலீன், எத்தில்.படம் 6A)இந்த பாஸ்பரஸ்-கொண்ட சேர்மங்களின் சுடர் பின்னடைவு விளைவுகளுக்கான பொறிமுறையானது பொதுவாக ஒரு இரசாயன தீவிர-துப்புரவு செயல்முறையாக நம்பப்படுகிறது.எரிப்பின் போது, பாஸ்பரஸ் கொண்ட மூலக்கூறுகள் பாஸ்பரஸ் கொண்ட ஃப்ரீ-ரேடிக்கல் இனங்களாக சிதைந்துவிடும், இது தொடர்ச்சியான எரிப்புக்கு காரணமான சங்கிலி எதிர்வினை பரவலின் போது உருவாகும் தீவிரவாதிகளை (உதாரணமாக, H மற்றும் OH தீவிரவாதிகள்) நிறுத்தலாம்.படம் 6, பி மற்றும் சி) .துரதிர்ஷ்டவசமாக, இந்த பாஸ்பரஸ் கொண்ட சுடர் ரிடார்டன்ட்களைச் சேர்ப்பதன் மூலம் எரியக்கூடிய தன்மையைக் குறைப்பது மின் வேதியியல் செயல்திறனின் இழப்பில் வருகிறது.இந்த வர்த்தகத்தை மேம்படுத்த, மற்ற ஆராய்ச்சியாளர்கள் அவற்றின் மூலக்கூறு கட்டமைப்பில் சில மாற்றங்களைச் செய்துள்ளனர்: (i) அல்கைல் பாஸ்பேட்களின் பகுதியளவு ஃவுளூரைனேஷன், அவற்றின் குறைப்பு நிலைத்தன்மை மற்றும் அவற்றின் சுடர் தடுப்பு செயல்திறனை மேம்படுத்தலாம்;(ii) பிஸ்(2-மெத்தாக்சியெதாக்ஸி)மெதில்லில்பாஸ்போனேட் போன்ற பாதுகாப்புத் திரைப்படம்-உருவாக்கும் மற்றும் தீப்பிழம்பு-தடுப்பு பண்புகளைக் கொண்ட கலவைகளின் பயன்பாடு, கிராஃபைட் பரப்புகளில் பாலிமரைஸ் செய்து நிலையான SEI ஃபிலிமை உருவாக்கலாம், இதனால் அபாயகரமான பக்கத்தைத் தடுக்கலாம். எதிர்வினைகள்;(iii) P(V) பாஸ்பேட்டை P(III) பாஸ்பைட்டுகளாக மாற்றுதல், இது SEI உருவாக்கத்தை எளிதாக்குகிறது மற்றும் அபாயகரமான PF5 ஐ செயலிழக்கச் செய்யும் திறன் கொண்டது [உதாரணமாக, tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphite];மற்றும் (iv) ஆர்கனோபாஸ்பரஸ் சேர்க்கைகளை சுழற்சி பாஸ்பசீன்கள், குறிப்பாக ஃவுளூரைனேட்டட் சைக்ளோபாஸ்பசீன், மேம்படுத்தப்பட்ட மின்வேதியியல் இணக்கத்தன்மையுடன் மாற்றுதல்.
படம் 6 நிலை 3 இல் உள்ள சிக்கல்களைத் தீர்ப்பதற்கான உத்திகள்.
(A) சுடர்-தடுப்பு சேர்க்கைகளின் வழக்கமான மூலக்கூறு கட்டமைப்புகள்.(B) இந்த பாஸ்பரஸ்-கொண்ட சேர்மங்களின் சுடர் பின்னடைவு விளைவுகளுக்கான பொறிமுறையானது பொதுவாக ஒரு இரசாயன தீவிர-துழித்தல் செயல்முறையாக நம்பப்படுகிறது, இது வாயு கட்டத்தில் எரிப்பு எதிர்வினைக்கு காரணமான தீவிர சங்கிலி எதிர்வினைகளை நிறுத்தலாம்.TPP, டிரிபெனைல் பாஸ்பேட்.(C) டிரிபெனைல் பாஸ்பேட் சேர்ப்பதன் மூலம் வழக்கமான கார்பனேட் எலக்ட்ரோலைட்டின் சுய-அணைக்கும் நேரத்தை (SET) கணிசமாகக் குறைக்கலாம்.(D) LIBகளுக்கான வெப்ப-தூண்டப்பட்ட சுடர்-தடுப்பு பண்புகளுடன் கூடிய "ஸ்மார்ட்" எலக்ட்ரோஸ்பன் பிரிப்பான் திட்டம்.ஃப்ரீ-ஸ்டாண்டிங் பிரிப்பான் ஒரு கோர்-ஷெல் அமைப்பைக் கொண்ட மைக்ரோஃபைபர்களால் ஆனது, அங்கு சுடர் தடுப்பு மையமாக உள்ளது மற்றும் பாலிமர் ஷெல் ஆகும்.வெப்ப தூண்டுதலின் போது, பாலிமர் ஷெல் உருகும், பின்னர் இணைக்கப்பட்ட ஃப்ளேம் ரிடார்டன்ட் எலக்ட்ரோலைட்டில் வெளியிடப்படுகிறது, இதனால் எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் பற்றவைப்பு மற்றும் எரிவதை திறம்பட அடக்குகிறது.(இ) பொறித்த பிறகு TPP@PVDF-HFP மைக்ரோஃபைபர்களின் SEM படம் அவற்றின் கோர்-ஷெல் அமைப்பைத் தெளிவாகக் காட்டுகிறது.அளவுகோல், 5 μm.(F) அறை வெப்பநிலை அயனி திரவத்தின் வழக்கமான மூலக்கூறு கட்டமைப்புகள் LIB களுக்கு எரிய முடியாத எலக்ட்ரோலைட்டுகளாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.(ஜி) PFPE இன் மூலக்கூறு அமைப்பு, எரிக்க முடியாத பெர்ஃப்ளூரினேட்டட் PEO அனலாக்.தற்போதைய பேட்டரி அமைப்புகளுடன் மூலக்கூறுகளின் இணக்கத்தன்மையை உறுதிப்படுத்த பாலிமர் சங்கிலிகளின் முனையங்களில் இரண்டு மெத்தில் கார்பனேட் குழுக்கள் மாற்றியமைக்கப்படுகின்றன.
பட்டியலிடப்பட்ட சேர்க்கைகளுக்கான எலக்ட்ரோலைட்டின் குறைக்கப்பட்ட எரியக்கூடிய தன்மை மற்றும் செல் செயல்திறன் ஆகியவற்றுக்கு இடையே எப்போதும் பரிமாற்றம் உள்ளது என்பதை கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும், இருப்பினும் இந்த சமரசம் மேலே உள்ள மூலக்கூறு வடிவமைப்புகள் மூலம் மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளது.இந்தச் சிக்கலைத் தீர்ப்பதற்கான மற்றொரு முன்மொழியப்பட்ட உத்தி, மைக்ரோஃபைபர்களின் பாதுகாப்பு பாலிமர் ஷெல்லுக்குள் சுடர் ரிடார்டன்டை இணைப்பதை உள்ளடக்கியது, அவை நெய்யப்படாத பிரிப்பானை உருவாக்க மேலும் அடுக்கி வைக்கப்படுகின்றன (படம் 6D) .வெப்ப-தூண்டப்பட்ட சுடர்-தடுப்பு பண்புகளைக் கொண்ட ஒரு புதிய எலக்ட்ரோஸ்பன் அல்லாத மைக்ரோஃபைபர் பிரிப்பான் LIB களுக்காக புனையப்பட்டது.பாதுகாப்பு பாலிமர் ஷெல்லின் உள்ளே உள்ள சுடர் ரிடார்டன்ட் இணைப்பானது, மின்பகுளியில் ஃப்ளேம் ரிடார்டன்ட் நேரடியாக வெளிப்படுவதைத் தடுக்கிறது, பேட்டரியின் மின்வேதியியல் செயல்திறனில் ரிடார்டன்ட்களின் எதிர்மறையான விளைவுகளைத் தடுக்கிறது (படம் 6E)இருப்பினும், LIB பேட்டரியின் வெப்ப ரன்வே ஏற்பட்டால், வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது பாலி(வினைலைடின்புளோரைடு-ஹெக்ஸாபுளோரோ ப்ரோப்பிலீன்) கோபாலிமர் (PVDF-HFP) ஷெல் உருகும்.பின்னர் இணைக்கப்பட்ட டிரிபெனைல் பாஸ்பேட் ஃப்ளேம் ரிடார்டன்ட் எலக்ட்ரோலைட்டில் வெளியிடப்படும், இதனால் அதிக எரியக்கூடிய எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் எரிப்பை திறம்பட அடக்குகிறது.
இந்த இக்கட்டான நிலையைத் தீர்க்க "உப்பு செறிவூட்டப்பட்ட எலக்ட்ரோலைட்" கருத்தும் உருவாக்கப்பட்டது.ரிச்சார்ஜபிள் பேட்டரிகளுக்கான இந்த தீயை அணைக்கும் ஆர்கானிக் எலக்ட்ரோலைட்டுகளில் LiN(SO2F)2 உப்பாகவும், டிரைமெதில் பாஸ்பேட்டின் (TMP) பிரபலமான சுடர் தடுப்பு மருந்தாகவும் ஒரே கரைப்பானாக உள்ளது.உறுதியான மின்வேதியியல் செயல்திறனுக்கு நேர்மின்வாயில் ஒரு வலுவான உப்பு-பெறப்பட்ட கனிம SEI இன் தன்னிச்சையான உருவாக்கம் முக்கியமானது.இந்த புதிய மூலோபாயம் பல்வேறு சுடர் ரிடார்டன்ட்களுக்கு நீட்டிக்கப்படலாம் மற்றும் பாதுகாப்பான LIB களுக்கு புதிய சுடர்-தடுப்பு கரைப்பான்களை உருவாக்குவதற்கான புதிய வழியைத் திறக்கலாம்.
எரியாத திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகள்.எலக்ட்ரோலைட்டின் பாதுகாப்பு சிக்கல்களுக்கு ஒரு இறுதி தீர்வாக உள்ளார்ந்த முறையில் எரியாத எலக்ட்ரோலைட்களை உருவாக்குவது.அயனி திரவங்கள், குறிப்பாக அறை வெப்பநிலை அயனி திரவங்கள் (200°C க்குக் கீழே கண்டறியக்கூடிய நீராவி அழுத்தம் இல்லை) மற்றும் தீப்பிடிக்காதவை மற்றும் பரந்த வெப்பநிலை சாளரம் கொண்டவை (200°C)படம் 6F) .இருப்பினும், அவற்றின் உயர் பாகுத்தன்மை, குறைந்த லி பரிமாற்ற எண், கத்தோடிக் அல்லது குறைக்கும் உறுதியற்ற தன்மை மற்றும் அயனி திரவங்களின் அதிக விலை ஆகியவற்றால் எழும் குறைந்த விகித திறன் சிக்கல்களைத் தீர்க்க தொடர்ச்சியான ஆராய்ச்சி இன்னும் தேவைப்படுகிறது.
குறைந்த-மூலக்கூறு எடை ஹைட்ரோஃப்ளூரோஎதர்கள், அவற்றின் உயர் அல்லது ஃபிளாஷ் புள்ளி, எரியக்கூடிய தன்மை, குறைந்த மேற்பரப்பு பதற்றம், குறைந்த பாகுத்தன்மை, குறைந்த உறைபனி வெப்பநிலை போன்றவற்றின் காரணமாக எரிய முடியாத திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் மற்றொரு வகுப்பாகும்.பேட்டரி எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் அளவுகோல்களைப் பூர்த்தி செய்ய அவற்றின் வேதியியல் பண்புகளை மாற்றியமைக்க சரியான மூலக்கூறு வடிவமைப்பு செய்யப்பட வேண்டும்.சமீபத்தில் அறிவிக்கப்பட்ட ஒரு சுவாரசியமான உதாரணம் பெர்ஃப்ளூரோபாலியெதர் (PFPE), ஒரு பெர்ஃபுளோரினேட்டட் பாலிஎதிலீன் ஆக்சைடு (PEO) அனலாக் ஆகும், இது எரிக்க முடியாத தன்மைக்கு நன்கு அறியப்பட்டதாகும் (படம் 6G) .தற்போதைய பேட்டரி அமைப்புகளுடன் மூலக்கூறுகளின் பொருந்தக்கூடிய தன்மையை உறுதிப்படுத்த PFPE சங்கிலிகளின் (PFPE-DMC) முனையக் குழுக்களில் இரண்டு மெத்தில் கார்பனேட் குழுக்கள் மாற்றியமைக்கப்படுகின்றன.எனவே, தனித்தன்மை வாய்ந்த மூலக்கூறு கட்டமைப்பு வடிவமைப்பின் காரணமாக எலக்ட்ரோலைட் பரிமாற்ற எண்ணை அதிகரிக்கும் அதே வேளையில், PFPEகளின் தீப்பிடிக்காத தன்மை மற்றும் வெப்ப நிலைத்தன்மை LIB களின் பாதுகாப்பை கணிசமாக மேம்படுத்த முடியும்.
நிலை 3 என்பது வெப்ப ரன்வே செயல்முறைக்கான இறுதி ஆனால் குறிப்பாக முக்கியமான கட்டமாகும்.அதிநவீன திரவ எலக்ட்ரோலைட்டின் எரியக்கூடிய தன்மையைக் குறைப்பதில் பெரும் முயற்சிகள் மேற்கொள்ளப்பட்டாலும், ஆவியாகாத திட-நிலை எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் பயன்பாடு பெரும் வாக்குறுதியைக் காட்டுகிறது என்பதை கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும்.திட எலக்ட்ரோலைட்டுகள் முக்கியமாக இரண்டு வகைகளாகப் பிரிக்கப்படுகின்றன: கனிம செராமிக் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் [சல்பைடுகள், ஆக்சைடுகள், நைட்ரைடுகள், பாஸ்பேட்ஸ், முதலியன] மற்றும் திட பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் [பாலி (எத்திலீன் ஆக்சைடு), பாலிஅக்ரிலோனிட்ரைல் போன்ற பாலிமர்களுடன் லி உப்புகளின் கலவைகள்] .திடமான எலக்ட்ரோலைட்டுகளை மேம்படுத்துவதற்கான முயற்சிகள் இங்கே விவரிக்கப்படாது, ஏனெனில் இந்த தலைப்பு ஏற்கனவே பல சமீபத்திய மதிப்புரைகளில் நன்கு சுருக்கப்பட்டுள்ளது.
அவுட்லுக்
கடந்த காலத்தில், பேட்டரி பாதுகாப்பை மேம்படுத்த பல புதுமையான பொருட்கள் உருவாக்கப்பட்டன, இருப்பினும் பிரச்சனை இன்னும் முழுமையாக தீர்க்கப்படவில்லை.கூடுதலாக, ஒவ்வொரு வெவ்வேறு பேட்டரி வேதியியலுக்கும் பாதுகாப்பு சிக்கல்களின் அடிப்படையிலான வழிமுறைகள் மாறுபடும்.எனவே, வெவ்வேறு பேட்டரிகளுக்கு ஏற்றவாறு குறிப்பிட்ட பொருட்கள் வடிவமைக்கப்பட வேண்டும்.இன்னும் திறமையான முறைகள் மற்றும் நன்கு வடிவமைக்கப்பட்ட பொருட்கள் கண்டுபிடிக்கப்பட வேண்டும் என்று நாங்கள் நம்புகிறோம்.எதிர்கால பேட்டரி பாதுகாப்பு ஆராய்ச்சிக்கான பல சாத்தியமான திசைகளை இங்கே பட்டியலிடுகிறோம்.
முதலாவதாக, LIB களின் உள் சுகாதார நிலைமைகளைக் கண்டறிந்து கண்காணிக்க சிட்டு அல்லது ஓபராண்டோ முறைகளை உருவாக்குவது முக்கியம்.எடுத்துக்காட்டாக, வெப்ப ரன்வே செயல்முறையானது LIB களுக்குள் உள்ள உள் வெப்பநிலை அல்லது அழுத்தம் அதிகரிப்புடன் நெருக்கமாக தொடர்புடையது.இருப்பினும், பேட்டரிகளுக்குள் வெப்பநிலை விநியோகம் மிகவும் சிக்கலானது, மேலும் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் மற்றும் மின்முனைகள் மற்றும் பிரிப்பான்களுக்கான மதிப்புகளை துல்லியமாக கண்காணிக்க முறைகள் தேவைப்படுகின்றன.எனவே, வெவ்வேறு கூறுகளுக்கு இந்த அளவுருக்களை அளவிட முடியும் என்பது கண்டறிவதற்கு முக்கியமானதாகும், இதனால் பேட்டரி பாதுகாப்பு அபாயங்களைத் தடுக்கிறது.
பிரிப்பான்களின் வெப்ப நிலைத்தன்மை பேட்டரி பாதுகாப்பிற்கு முக்கியமானது.உயர் உருகும் புள்ளிகளைக் கொண்ட புதிதாக உருவாக்கப்பட்ட பாலிமர்கள் பிரிப்பானின் வெப்ப ஒருமைப்பாட்டை அதிகரிப்பதில் பயனுள்ளதாக இருக்கும்.இருப்பினும், அவற்றின் இயந்திர பண்புகள் இன்னும் குறைவாகவே உள்ளன, பேட்டரி அசெம்பிளின் போது அவற்றின் செயலாக்கத்தை வெகுவாகக் குறைக்கிறது.மேலும், விலையும் ஒரு முக்கியமான காரணியாகும், இது நடைமுறை பயன்பாடுகளுக்கு கருத்தில் கொள்ளப்பட வேண்டும்.
திட எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் வளர்ச்சி LIB களின் பாதுகாப்பு சிக்கல்களுக்கு இறுதி தீர்வாகத் தெரிகிறது.திடமான எலக்ட்ரோலைட், தீ மற்றும் வெடிப்பு அபாயத்துடன், பேட்டரியின் உள் பற்றாக்குறையின் சாத்தியத்தை வெகுவாகக் குறைக்கும்.திட எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் முன்னேற்றத்திற்கு பெரும் முயற்சிகள் அர்ப்பணிக்கப்பட்டாலும், அவற்றின் செயல்திறன் திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகளை விட பின்தங்கியுள்ளது.கனிம மற்றும் பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் கலவைகள் சிறந்த திறனைக் காட்டுகின்றன, ஆனால் அவை நுட்பமான வடிவமைப்பு மற்றும் தயாரிப்பு தேவைப்படுகிறது.திறமையான லி-அயன் போக்குவரத்திற்கு கனிம-பாலிமர் இடைமுகங்களின் சரியான வடிவமைப்பு மற்றும் அவற்றின் சீரமைப்பின் பொறியியல் முக்கியமானது என்பதை நாங்கள் வலியுறுத்துகிறோம்.
திரவ எலக்ட்ரோலைட் எரியக்கூடிய ஒரே பேட்டரி கூறு அல்ல என்பதை கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும்.எடுத்துக்காட்டாக, LIB கள் அதிக சார்ஜ் செய்யப்படும்போது, எரியக்கூடிய லித்தியேட்டட் அனோட் பொருட்கள் (உதாரணமாக, லித்தியேட்டட் கிராஃபைட்) ஒரு பெரிய பாதுகாப்பு கவலையாக இருக்கும்.திட-நிலைப் பொருட்களின் தீயை திறமையாகத் தடுக்கக்கூடிய சுடர் ரிடார்டன்ட்கள் அவற்றின் பாதுகாப்பை அதிகரிக்க மிகவும் கோரப்படுகின்றன.பாலிமர் பைண்டர்கள் அல்லது கடத்தும் கட்டமைப்பின் வடிவத்தில் ஃபிளேம் ரிடார்டன்ட்கள் கிராஃபைட்டுடன் கலக்கப்படலாம்.
பேட்டரி பாதுகாப்பு என்பது மிகவும் சிக்கலான மற்றும் அதிநவீன பிரச்சனை.பேட்டரி பாதுகாப்பின் எதிர்காலமானது, மேலும் மேம்பட்ட குணாதிசய முறைகளுக்கு மேலதிகமாக ஆழமான புரிதலுக்கான அடிப்படை இயந்திரவியல் ஆய்வுகளில் அதிக முயற்சிகளை மேற்கொள்வதற்கு அழைப்பு விடுக்கிறது.இந்த மதிப்பாய்வு பொருட்கள்-நிலைப் பாதுகாப்பில் கவனம் செலுத்துகிறது என்றாலும், LIB களின் பாதுகாப்பு சிக்கலைத் தீர்க்க ஒரு முழுமையான அணுகுமுறை மேலும் தேவை என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும், அங்கு பொருட்கள், செல் கூறுகள் மற்றும் வடிவமைப்பு மற்றும் பேட்டரி தொகுதி மற்றும் பேக்குகள் பேட்டரிகளை நம்பகமானதாக மாற்றுவதற்கு சம பங்கு வகிக்கின்றன. அவை சந்தையில் வெளியிடப்படுகின்றன.
குறிப்புகள் மற்றும் குறிப்புகள்
காய் லியு, யயுவான் லியு, டிங்சாங்லின், ஆலன் பெய், யி குய், லித்தியம்-அயன் பேட்டரி பாதுகாப்பிற்கான பொருட்கள், அறிவியல் முன்னேற்றங்கள், DOI:10.1126/sciadv.aas9820
இடுகை நேரம்: ஜூன்-05-2021
