Abstraktua
Litio-ioizko bateriak (LIB) energia biltegiratzeko teknologia garrantzitsuenetakotzat hartzen dira.Baterien energia-dentsitatea handitu ahala, bateriaren segurtasuna are kritikoagoa bihurtzen da energia nahi gabe askatzen bada.LIBen suteekin eta leherketekin lotutako istripuak maiz gertatzen dira mundu osoan.Batzuek gizakien bizitzan eta osasunean mehatxu larriak eragin dituzte eta fabrikatzaileek produktuak berreskuratu dituzte.Gorabehera hauek baterien segurtasuna ezinbesteko baldintza dela gogorarazten dute, eta arazo larriak konpondu behar direla energia handiko bateria-sistemak etorkizunean aplikatu aurretik.Berrikuspen honek LIB segurtasun-arazoen jatorriaren oinarriak laburbiltzea du helburu, eta LIB segurtasuna hobetzeko azken materialen diseinuan egindako aurrerapen gakoak nabarmentzea.Berrikuspen honek bateriaren segurtasunaren hobekuntza gehiago bultzatuko duela aurreikusten dugu, batez ere energia dentsitate handiko LIB sortzen ari direnentzat.
LIB SEGURTASUN GAIEREN JATORRIA
LIBen barruko elektrolito likido organikoa berez sukoa da.LIB sistema baten hutsegite katastrofikoenetako bat kaskadako ihes termikoaren gertaera da, bateriaren segurtasun-kezkaren kausa nagusitzat jotzen dena.Oro har, ihes termikoa erreakzio exotermiko bat kontroletik kanpo geratzen denean gertatzen da.Bateriaren tenperatura ~ 80 °C-tik gora igotzen den heinean, baterien barneko erreakzio kimiko exotermikoa handitu egiten da eta zelula gehiago berotzen du, feedback-ziklo positiboa sortuz.Tenperatura etengabe igotzeak suteak eta leherketak eragin ditzake, batez ere bateria handien kasuan.Hori dela eta, ihes termikoaren arrazoiak eta prozesuak ulertzeak material funtzionalen diseinua bideratu dezake LIBen segurtasuna eta fidagarritasuna hobetzeko.Ihes-prozesu termikoa hiru fasetan bana daiteke, atalean laburbildu den moduan1. irudia.
1. irudia Ihesaldi termikoaren prozesurako hiru etapa.
1. etapa: gainberotzearen agerpena.Bateriak egoera normal batetik anormal batera aldatzen dira, eta barne tenperatura handitzen hasten da.2. etapa: Beroa metatzea eta gasa askatzeko prozesua.Barne tenperatura azkar igotzen da, eta bateriak erreakzio exotermikoak jasaten ditu.3. etapa: Errekuntza eta leherketa.Elektrolito sukoiak erre egiten du, suteak eta baita leherketak ere eraginez.
Gainberotzearen hasiera (1. etapa)
Ihesaldi termikoa bateria-sistemaren gainberotzetik hasten da.Hasierako gainberoketa bateria diseinatutako tentsiotik haratago kargatzearen ondorioz gerta daiteke (gehiegizko karga), gehiegizko tenperaturaren eraginpean egotearen ondorioz, kanpoko zirkuitu laburrak kableatu akatsen ondorioz edo barneko zirkuitu laburrak zelulen akatsen ondorioz.Horien artean, barne-laburdura da ihes termikoaren arrazoi nagusia eta nahiko zaila da kontrolatzen.Barne-laburdura gerta daiteke zelulen birrintze-egoeretan, hala nola kanpoko metal-hondakinak sartzea;ibilgailuen talka;litio dendrita eratzea korronte dentsitate handiko kargapean, gehiegizko karga baldintzetan edo tenperatura baxuetan;eta bateria muntatzean sortutako bereizgailu akatsak, batzuk aipatzearren.Esaterako, 2013ko urriaren hasieran, Seattletik gertu dagoen Tesla auto batek ezkutua eta bateria zulatzen zituzten metalezko hondakinak jo zituen.Hondakinak polimero-bereizleetan sartzen ziren eta zuzenean katodoa eta anodoa konektatzen ziren, bateria zirkuitulaburtu eta su hartuz;2016an, Samsung Note 7 bateriaren suteak kanpoko presioagatik edo elektrodo positiboko soldadura-errebagatik erraz kaltetu zen bereizle ultramehe oldarkorragatik izan ziren, bateria zirkuitulaburra eraginez.
1. fasean, bateriaren funtzionamendua egoera normal batetik anormal batera aldatzen da, eta goian zerrendatutako arazo guztiek bateria gehiegi berotuko dute.Barne tenperatura igotzen hasten denean, 1. etapa amaitzen da eta 2. etapa hasten da.
Beroa metatzea eta gasa askatzeko prozesua (2. etapa)
2. etapa hasten den heinean, barne-tenperatura azkar igotzen da, eta bateriak honako erreakzio hauek jasaten ditu (erreakzio hauek ez dira ordena zehatzean gertatzen; horietako batzuk aldi berean gerta daitezke):
(1) Elektrolito solidoen interfasea (SEI) deskonposizioa gainberotzearen edo sartze fisikoaren ondorioz.SEI geruzak osagai egonkorrak (adibidez, LiF eta Li2CO3) eta metaegonkorrak [esaterako, polimeroak, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 eta ROLi] ditu.Hala ere, osagai metaegonkorrak exotermikoki deskonposatu daitezke gutxi gorabehera > 90 °C-tan, gas sukoiak eta oxigenoa askatuz.Hartu (CH2OCO2Li)2 adibide gisa
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) SEIren deskonposizioarekin, tenperatura igotzen da, eta anodoko litio metalak edo litio interkalatuak elektrolitoan dauden disolbatzaile organikoekin erreakzionatuko du, hidrokarburo gas sukoiak (etanoa, metanoa eta beste batzuk) askatuz.Hau tenperatura gehiago igotzen duen erreakzio exotermiko bat da.
(3) NoizT> ~130 °C, polietilenoa (PE)/polipropilenoa (PP) bereizgailua urtzen hasten da, eta horrek egoera are gehiago okertzen du eta katodoaren eta anodoaren artean zirkuitu laburra eragiten du.
(4) Azkenean, beroak litio metalezko oxidoaren katodoaren materialaren deskonposizioa eragiten du eta oxigenoa askatzen du.Hartu LiCoO2 adibide gisa, ~ 180 °C-tan hasita deskonposatu daitekeena honela
Katodoaren matxura ere oso exotermikoa da, tenperatura eta presioa are gehiago handituz eta, ondorioz, erreakzioak gehiago bizkortuz.
2. fasean, tenperatura igotzen da eta baterien barruan oxigenoa pilatzen da.Ihes-prozesu termikoa 2. etapatik 3. etapara doa bateriaren errekuntzarako nahikoa oxigeno eta bero metatu bezain laster.
Errekuntza eta leherketa (3. etapa)
3. fasean, errekuntza hasten da.LIBen elektrolitoak organikoak dira, alkil karbonato zikliko eta linealen konbinazio ia unibertsalak direnak.Hegazkortasun handia dute eta berez oso sukoiak dira.Oso ezaguna den karbonato-elektrolitoa [etileno karbonato (EC) + dimetil karbonato (DMC) (1:1 pisuaren arabera) nahasketa] hartuz, 4,8 kPa-ko lurrun-presioa erakusten du giro-tenperaturan eta suhar-puntu oso baxua. 25° ± 1°C-koa 1,013 bar-eko aire-presioan.2. fasean askatzen den oxigenoa eta beroak elektrolito organiko sukoiak erretzeko beharrezkoak diren baldintzak eskaintzen ditu, eta, ondorioz, sute edo leherketa arriskuak sortzen ditu.
2. eta 3. faseetan, erreakzio exotermikoak baldintza ia adiabatikoetan gertatzen dira.Beraz, abiadura azeleratuaren kalorimetria (ARC) oso erabilia den teknika bat da, LIBen barruko ingurunea simulatzen duena, eta horrek erreakzio termiko iheskorren zinetika ulertzea errazten du.2. irudiaabusu termikoko probetan grabatutako LIB baten ARC kurba tipikoa erakusten du.2. fasean tenperatura igotzen dela simulatuz, kanpoko bero-iturri batek bateriaren tenperatura igotzen du hasierako tenperaturaraino.Tenperatura horretatik gora, SEI deskonposatzen da, eta horrek erreakzio kimiko exotermiko gehiago eragingo ditu.Azkenean, bereizlea urtuko da.Autoberotze-tasa handitu egingo da ondoren, ihes termikoa (auto-berotze-tasa > 10 °C/min denean) eta elektrolitoen errekuntza (3. etapa) eraginez.
Anodoa mesokarbono-mikrobead grafitoa da.Katodoa LiNi0.8Co0.05Al0.05O2 da.Elektrolitoa 1,2 M LiPF6 da EC/PC/DMC-n.Celgard 2325 hiru geruza bereizle bat erabili zen.Electrochemical Society Inc-ren baimenarekin egokitua.
Kontuan izan behar da goian azaltzen diren erreakzioak ez direla zorrozki bata bestearen atzetik ematen emandako ordenan.Gai konplexuak eta sistematikoak dira, baizik.
BATERIAREN SEGURTASUN HOBETU DUTEN MATERIALAK
Baterien ihes termikoaren ulermenean oinarrituta, planteamendu asko aztertzen ari dira, bateriaren osagaien diseinu arrazionalaren bidez segurtasun arriskuak murrizteko helburuarekin.Hurrengo ataletan, bateriaren segurtasuna hobetzeko material ezberdinen planteamenduak laburbiltzen ditugu, ihes-fase termiko desberdinei dagozkien arazoak konpontzen.
1. faseko arazoak konpontzeko (gainberotzearen agerpena)
Anodoen material fidagarriak.LIBren anodoan Li dendrita eraketak ihes termikoaren lehen faseari hasiera ematen dio.Arazo hau LIB komertzialen anodoetan arindu bada ere (adibidez, karbono-anodoetan), Li dendrita eraketa ez da guztiz galarazi.Esate baterako, LIB komertzialetan, grafitozko elektrodoen ertzetan dendrita deposizioa gertatzen da, anodoak eta katodoak ondo parekatuta ez badaude.Horrez gain, LIBen funtzionamendu-baldintza desegokiek Li metalaren metaketa ere eragin dezakete dendrita hazkuntzarekin.Jakina da dendrita erraz sor daitekeela bateria kargatzen bada (i) korronte dentsitate handietan, non Li metalaren jalkipena grafito soltean Li ioien difusioa baino azkarragoa den;(ii) gehiegizko karga-baldintzetan grafitoa gainlitiatuta dagoenean;eta (iii) tenperatura baxuetan [adibidez, giro azpiko tenperatura (~ 0 ° C)], elektrolito likidoaren biskositatea handitu delako eta Li-ioi difusioaren erresistentzia handitu delako.
Materialen propietateen ikuspuntutik, anodoan Li dendrita hazkuntzaren hasiera zehazten duen erroaren jatorria SEI ezegonkorra eta ez-uniformea da, eta horrek korronte lokalaren banaketa irregularra eragiten du.Elektrolitoen osagaiak, batez ere gehigarriak, SEI uniformetasuna hobetzeko eta Li dendrita eraketa kentzeko ikertu dira.Gehigarri tipikoen artean konposatu ez-organikoak [adibidez, CO2 , LiI , etab.] eta karbono-lotura asegabeak dituzten konposatu organikoak daude, hala nola binileno karbonatoa eta maleimida gehigarriak;molekula zikliko ezegonkorrak, hala nola butirolaktona, etileno sulfitoa eta haien deribatuak;eta fluoroetileno karbonatoa bezalako konposatu fluoratuak, besteak beste.Milioi zatiko mailan ere, molekula hauek SEI morfologia hobetu dezakete, horrela Li-ioi fluxua homogeneizatuz eta Li dendrita sortzeko aukera ezabatuz.
Orokorrean, Li dendrita erronkak grafito edo karbonozko anodoetan eta silizio/SiO hurrengo belaunaldiko anodoetan daude oraindik.Li dendrita-hazkundearen arazoa ebaztea funtsezkoa den erronka bat da etorkizun hurbilean energia-dentsitate handiko Li-ioi kimikoak egokitzeko.Kontuan izan behar da, duela gutxi, ahalegin handiak egin direla Li metalezko anodo puruetan Li dendrita eraketaren arazoa konpontzeko Li-ioi-fluxua homogeneizatuz Li deposizioan zehar;adibidez, babes-geruzaren estaldura, SEI ingeniaritza artifiziala, etab. Alderdi honetan, metodo batzuek LIBetan karbono-anodoen arazoa nola landu ere argitu dezakete.
Elektrolito likido eta bereizleak funtzio anitzeko.Elektrolito likidoak eta bereizleak funtsezko eginkizunak betetzen dituzte energia handiko katodoa eta anodoa fisikoki bereizteko.Beraz, ondo diseinatutako elektrolito eta bereizgailu funtzio anitzekoek bateriak nabarmen babes ditzakete bateriaren ihes termikoaren hasierako fasean (1. etapa).
Bateriak birrintze mekanikotik babesteko, zizaila loditzen duen elektrolito likido bat lortu da silize ketsu bat karbonato-elektrolitoari gehituta (1 M LiFP6 EC/DMC-n).Presio mekanikoaren edo talkaren aurrean, fluidoak zizaila-loditze-efektua erakusten du biskositatea handituz, beraz, talkaren energia xahutzen du eta birrintzeko tolerantzia erakusten du (3A irudia)
3. irudia 1. etapako arazoak konpontzeko estrategiak.
(A) Zizaila loditzeko elektrolitoa.Goia: elektrolito arrunterako, inpaktu mekanikoak bateriaren barneko laburdura ekar dezake, suteak eta leherketak eraginez.Behean: presio edo inpaktupean zizaila loditzeko efektua duen elektrolito adimendun berriak birrintzeko tolerantzia bikaina erakusten du, eta horrek baterien segurtasun mekanikoa nabarmen hobetu dezake.(B) Bereizgailu bifuntzionalak litio-dendritak goiz detektatzeko.Dendrita eraketa litiozko bateria tradizional batean, non litiozko dendrita batek bereizlearen erabateko sartzea detektatzen den bateriak huts egiten duenean barneko zirkuitu labur baten ondorioz.Alderatuz, bereizgailu bifuntzional bat duen litio-pila bat (bi bereizgailu konbentzionalen artean sartutako geruza eroale batez osatua), non hazitako litio-dendrita bereizgailuan sartzen den eta kobre-geruza eroalearekin kontaktuan jartzen duen, ondoriozVCu−Li, barne-zirkuitu labur baten ondorioz datorren hutsegitearen abisu gisa balio duena.Hala ere, bateria osoak modu seguruan funtzionatzen jarraitzen du zero potentzialarekin.(A) eta (B) Springer Natureren baimenarekin egokitu edo erreproduzitzen dira.(C) Hiru geruza bereizlea Li dendrita arriskutsuak kontsumitzeko eta bateriaren iraupena luzatzeko.Ezkerrean: litio-anodoek gordailu dendritikoak erraz sor ditzakete, pixkanaka-pixkanaka handitu eta polimero geldoen bereizlean sartu.Dendritek azkenean katodoa eta anodoa lotzen dituztenean, bateria zirkuitulaburra da eta huts egiten du.Eskuinean: silize nanopartikulen geruza bat polimero-bereizle komertzialen bi geruzetan sartu zen.Hori dela eta, litio-dendritak hazi eta bereizgailuan sartzen direnean, ogitarteko geruzako silize nanopartikulekin harremanetan jarriko dira eta elektrokimikoki kontsumituko dira.(D) Ekorketa-mikroskopia elektronikoaren (SEM) irudia silizearen nanopartikulen bereizgailuaren sandwicha.(E) Ohiko bereizgailu batekin (kurba gorria) eta silize nanopartikulen arteko hiru geruza bereizlearekin (kurba beltza) probatutako Li/Li bateria baten tentsioaren eta denboraren profil tipikoa.(C), (D) eta (E) John Wiley and Sons-en baimenarekin erreproduzitzen dira.(F) Redox anezka gehigarrien mekanismoen ilustrazio eskematikoa.Gainkargatutako katodoaren gainazalean, redox gehigarria [O] formara oxidatzen da, eta, ondoren, anodoaren gainazalean jatorrizko egoerara [R] murriztuko litzateke elektrolitoan zehar difusioz.Oxidazio-difusio-murrizketa-difusioaren ziklo elektrokimikoa mugagabean mantendu daiteke eta, ondorioz, katodoaren potentziala blokeatzen du gainkarga arriskutsuetatik.(G) Redox anezka gehigarrien egitura kimiko tipikoak.(H) Potentzial handietan elektrokimikoki polimeriza daitezkeen itzaltzeko gainkarga gehigarrien mekanismoa.(I) Itzateko gainkarga gehigarrien egitura kimiko tipikoak.Gehigarrien lan-potentzialak egitura molekular bakoitzaren azpian zerrendatzen dira (G), (H) eta (I).
Bereiztzaileek katodoa eta anodoa elektronikoki isolatu ditzakete eta bateria baten osasun-egoera in situ monitorizatzeko zeregin garrantzitsua izan dezakete 1. fasea baino gehiago hondatzeko. Adibidez, "bereizle bifuntzionala" polimero-metal-polimero hiru geruza konfigurazioarekin (3B irudia) tentsio-sentsore funtzio berri bat eman dezake.Dendrita bat hazten denean eta tarteko geruzara iristen denean, metalezko geruza eta anodoa lotuko ditu, haien arteko bat-bateko tentsio-jaitsiera berehala antzeman daitekeen irteera gisa.
Detekzioaz gain, hiru geruza bereizle bat diseinatu zen Li dendrita arriskutsuak kontsumitzeko eta haien hazkuntza moteltzeko bereizgailuan sartu ondoren.Silizezko nanopartikulen geruza bat, poliolefina bereizle komertzialen bi geruzetan sartuta (3. irudia, C eta D), edozein Li dendrita arriskutsu sarkor kontsumitu dezakete, horrela bateriaren segurtasuna eraginkortasunez hobetuz.Babestutako bateriaren iraupena nabarmen luzatu zen gutxi gorabehera bost aldiz ohiko bereizgailuak dituenarekin alderatuta (3E irudia).
Gainkargaren babesa.Gainkargatzea diseinatutako tentsiotik haratago bateria bat kargatzea bezala definitzen da.Gehiegizko karga korronte espezifiko dentsitate handiek, karga-profil oldarkorrek, etab.ek eragin dezakete, eta horrek hainbat arazo ekar ditzakete, besteak beste (i) Li metala anodoan jalkitzea, bateriaren errendimendu elektrokimikoari eta segurtasunari larriki eragiten diona;(ii) katodoaren materialaren deskonposizioa, oxigenoa askatuz;eta (iii) elektrolito organikoaren deskonposizioa, beroa eta gas-produktuak askatuz (H2, hidrokarburoak, CO, etab.), ihes termikoaren erantzule direnak.Deskonposizioan zehar erreakzio elektrokimikoak korapilatsuak dira, eta horietako batzuk jarraian azaltzen dira.
Izartxoak (*) hidrogeno gasa protikotik sortzen dela adierazten du, karbonatoen oxidazioan sortutako taldeak katodoan utziz, gero anodora hedatu eta H2 sortzeko.
Funtzioen desberdintasunen arabera, gainkarga babesteko gehigarriak redox shuttle gehigarri eta itzaltze gehigarri gisa sailka daitezke.Lehenengoak zelula gainkargatik babesten du modu itzulgarrian, eta bigarrenak, berriz, zelulen funtzionamendua behin betiko amaitzen du.
Redox anezka gehigarriek baterian injektatutako gehiegizko karga elektrokimikoki desbideratzen dute gainkarga gertatzen denean.atalean erakusten den bezala3F irudia, mekanismoa elektrolitoen deskonposizio anodikoarena baino oxidazio potentziala apur bat txikiagoa duen gehigarri redox batean oinarritzen da.Gainkargatutako katodoaren gainazalean, redox gehigarria [O] formara oxidatzen da, eta, ondoren, anodoaren gainazalean jatorrizko egoerara [R] murriztuko litzateke elektrolitoan zehar difusioan.Ondoren, murriztutako gehigarria katodora itzul daiteke, eta "oxidazio-difusio-murrizketa-difusio" ziklo elektrokimikoa mugagabe mantendu daiteke eta, ondorioz, katodoaren potentziala blokeatzen du gainkarga arriskutsu gehiagotik.Ikerketek erakutsi dute gehigarrien erredox potentziala katodoaren potentzialaren gainetik 0,3 eta 0,4 V inguru izan behar dela.
Egokitutako egitura kimikoak eta erredox potentzialak dituzten gehigarri sorta bat garatu da, metalozeno organometalikoak, fenotiazinak, trifenilaminak, dimetoxibentzenoak eta haien deribatuak eta 2-(pentafluorofenil)-tetrafluoro-1,3,2-benzodioxaborole barne.3G irudia).Egitura molekularrak egokituz, oxidazio-potentzial gehigarriak 4 V-tik gorakoak izan daitezke, hau da, tentsio handiko katodoen material eta elektrolito azkar garatzen direnetarako.Oinarrizko diseinuaren printzipioak gehigarriaren orbital molekularrik altuena jaistea dakar, elektroi-eraratzaileen ordezkoak gehituz, oxidazio-potentziala handitzea eraginez.Gehigarri organikoez gain, gatz inorganiko batzuk, elektrolito-gatz gisa funtziona dezaketenak, baina baita redox anezka gisa ere balio dezaketenak, hala nola perfluoroborano-gatzak [hau da, litio fluorododekaboratoak (Li2B12F).xH12−x)], redox shuttle gehigarri eraginkorrak ere aurkitu dira.
Itzalitako gainkarga gehigarriak gainkarga babesteko gehigarri itzulezinak dira.Potentzial handiko gasa askatuz funtzionatzen dute, eta horrek, aldi berean, korronte etengailu bat aktibatzen du, edo potentzial altuko polimerizazio elektrokimiko iraunkorrean bateriaren funtzionamendua amaitzeko, emaitza katastrofikoak gertatu baino lehen (3H irudia).Lehenengoaren adibideak xilenoa, ziklohexilbentzenoa eta bifeniloa dira, eta bigarrenaren adibideen artean bifeniloa eta ordezkaturiko beste konposatu aromatiko batzuk daude (3I. irudia).Itzalitako gehigarrien ondorio negatiboak LIBen epe luzerako funtzionamendua eta biltegiratze errendimendua dira oraindik, konposatu horien oxidazio itzulezina delako.
2. faseko arazoak konpontzeko (bero metaketa eta gasa askatzeko prozesua)
Material katodo fidagarriak.Litio trantsizio-metal oxidoak, hala nola LiCoO2, LiNiO2 eta LiMnO2 oxido geruzatuak;LiM2O4 espinela motako oxidoa;eta LiFePO4 motako polianionak, gehien erabiltzen diren katodozko materialak dira, baina segurtasun arazoak dituzte batez ere tenperatura altuetan.Horien artean, olibinoz egituratutako LiFePO4 nahiko segurua da, egonkorra dena 400 °C arte, eta LiCoO2 250 °C-tan deskonposatzen hasten den bitartean.LiFePO4-ren segurtasuna hobetzearen arrazoia da oxigeno-ioi guztiek P5+-rekin lotura kobalente sendoak osatzen dituztela PO43− polianioi tetraedrikoak sortzeko, hiru dimentsioko marko osoa egonkortzen dutenak eta beste katodo-material batzuekin alderatuta egonkortasun hobea ematen dutenak, nahiz eta oraindik egon. bateriaren suteen istripu batzuk izan dira.Segurtasun-kezka nagusia katodo-material hauek tenperatura altuetan deskonposatzeak eta aldi berean oxigenoa askatzeak sortzen du, eta elkarrekin errekuntza eta leherketak eragin ditzakete, bateriaren segurtasuna larriki arriskuan jarriz.Adibidez, LiNiO2 oxido geruzaren egitura kristalezkoa ezegonkorra da Ni2+-ren existentzia dela eta, zeinaren tamaina ionikoa Li+-ren antzekoa baita.Li delitiatuaxNiO2 (x< 1) Espinela motako LiNi2O4 (espinela) eta gatz motako NiO fase egonkorrago batera bihurtzeko joera du, oxigenoa elektrolito likidoan askatzen dena 200 °C inguruan, elektrolitoen errekuntza eraginez.
Ahalegin handiak egin dira katodo-material hauen egonkortasun termikoa hobetzeko atomo-doping eta gainazaleko estaldura babesleen bidez.
Atomoen dopingak nabarmen handitu dezake geruzatutako oxido-materialen egonkortasun termikoa, ondorioz, egonkortutako kristal-egiturak direla eta.LiNiO2 edo Li1.05Mn1.95O4-ren egonkortasun termikoa nabarmen hobetu daiteke Ni edo Mn-en ordezkapen partzialaren bidez beste katioi metaliko batzuekin, hala nola Co, Mn, Mg eta Al .LiCoO2rako, Ni eta Mn bezalako dopin eta aleazio elementuak sartzeak deskonposizioaren hasierako tenperatura nabarmen handitu dezake.Tdec, tenperatura altuetan elektrolitoarekin erreakzioak saihestuz ere.Hala ere, katodoen egonkortasun termikoaren handitzeak, oro har, gaitasun espezifikoetan sakrifizioak eragiten ditu.Arazo hori konpontzeko, litio-nikel kobalto manganeso oxido geruzadun batean oinarritutako litiozko baterien kontzentrazio-gradienteko katodo-material bat garatu da (4A irudia) .Material honetan, partikula bakoitzak Ni-n aberatsa den masa zentral bat eta Mn-ko kanpoko geruza ditu, Ni kontzentrazioa txikiagotuz eta Mn eta Co kontzentrazioa handituz gainazalera hurbildu ahala (4B irudia).Lehenengoak ahalmen handia ematen du, bigarrenak, berriz, egonkortasun termikoa hobetzen du.Material katodo berri honek baterien segurtasuna hobetzen duela frogatu zen haien errendimendu elektrokimikoa kaltetu gabe (4C irudia).
4. irudia 2. etapako arazoak konpontzeko estrategiak: katodo fidagarriak.
(A) Elektrodo positiboko partikula baten diagrama eskematikoa, kontzentrazio-gradienteko kanpoko geruzaz inguratutako Ni-nukleoa duen nukleoa.Partikula bakoitzak Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 eta Mn-ko kanpoko geruza [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] ditu, Ni kontzentrazio txikiagoarekin eta Mn eta Co kontzentrazioa handituz. gainazalera hurbildu ahala.Lehenengoak ahalmen handia ematen du, bigarrenak, berriz, egonkortasun termikoa hobetzen du.Batez besteko konposizioa Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2 da.Eskuinean, partikula tipiko baten mikrografia elektronikoa ere agertzen da.(B) Elektroi-zundako X izpien mikroanalisiaren emaitzak Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2 oxido litiatuaren amaierako emaitzak.Agerikoak dira Ni, Mn eta Co-ren pixkanakako kontzentrazio-aldaketak tarteko geruzan.Ni kontzentrazioa gutxitzen da, eta Co eta Mn kontzentrazioa areagotu egiten da gainazalerantz.(C) Eskanetze kalorimetria diferentziala (DSC) aztarnak elektrolitoak kontzentrazio-gradienteko materialarekin Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, Ni-ko material zentrala aberatsa den Li(Ni0.8Co0.1Mn0) erreakzioaren bero-fluxua erakusten dutenak. 1)O2, eta Mn aberatsa den kanpoko geruza [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].Materialak 4,3 V-tan kargatu ziren. (A), (B) eta (C) Springer Natureren baimenarekin erreproduzitzen dira.(D) Ezkerrean: AlPO4 nanopartikulaz estalitako LiCoO2-ren eremu distiratsuko transmisio-mikroskopia elektronikoaren (TEM) irudia;energia barreiatzeko x izpien espektrometriak estaldura-geruzan dauden Al eta P osagaiak baieztatzen ditu.Eskuinean: bereizmen handiko TEM irudia nanoeskalako estaldura-geruzan AlPO4 nanopartikulak (~3 nm-ko diametroa) erakusten dituena;geziek AlPO4 geruzaren eta LiCoO2-ren arteko interfazea adierazten dute.(E) Ezkerrean: LiCoO2 katodo hutsa duen zelula baten irudia 12 V-ko gainkarga probaren ondoren.Zelula erre eta lehertu egin zen tentsio horretan.Eskuinean: AlPO4 nanopartikulaz estalitako LiCoO2 duen zelula baten argazkia 12 V-ko gainkarga probaren ondoren.(D) eta (E) John Wiley and Sons-en baimenarekin erreproduzitzen dira.
Egonkortasun termikoa hobetzeko beste estrategia bat katodoaren materiala termikoki egonkorrak diren Li+ konposatu eroaleen babes-geruza mehe batekin estaltzea da, katodoko materialen elektrolitoarekin zuzeneko kontaktua saihestu eta, horrela, alboko erreakzioak eta bero-sorkuntza murrizteko.Estaldurak film ez-organikoak izan daitezke [adibidez, ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3, etab.], Li ioiak eroan ditzaketenak litiatu ondoren (4. irudia, D eta E), edo film organikoak, hala nola poli(dialildimetilamonio kloruroa), γ-butirolaktona gehigarriz osatutako babes-filmak eta osagai anitzeko gehigarriak (binileno karbonatoz, 1,3-propileno sulfitoz eta dimetilacetamidaz osatuak).
Tenperatura-koefiziente positiboa duen estaldura bat sartzea ere eraginkorra da katodoaren segurtasuna areagotzeko.Esate baterako, poli(3-deziltiofenoa) estalitako LiCoO2 katodoek erreakzio elektrokimikoak eta alboko erreakzioak itzal ditzakete tenperatura > 80 °C-ra igotzen denean, polimero eroalearen geruza oso erresistentzia egoerara eraldaketa baitaiteke.Arkitektura hiperadarkatua duten oligomero autobukatuen estaldurak ere funtziona dezake termikoki erantzuteko blokeo-geruza gisa bateria katodoaren aldetik ixteko.
Korronte-kolektore termikoki aldagarria.Bateriaren tenperatura igotzean 2. fasean erreakzio elektrokimikoen itzaltzeak eraginkortasunez ekidin dezake tenperatura gehiago haztea.Korronte-kolektorean (TRPS) azkar eta itzulgarria den polimeroen konmutazio termoerantzunkorra barneratu da (5A irudia) .TRPS film mehea grafenoz estalitako nanoegituratutako nikel (GrNi) partikula eroalez osatuta dago, betegarri eroale gisa eta hedapen termikoko koefiziente handia duen PE matrizea (α ~ 10−4 K−1).Fabrikatutako polimero-film konposatuek eroankortasun handia (σ) erakusten dute giro-tenperaturan, baina tenperatura aldatze-tenperaturara hurbiltzen denean (Ts), eroankortasuna 1 s-en barruan jaisten da zazpi eta zortzi magnitude ordenako polimeroaren bolumenaren hedapenaren ondorioz, eta horrek partikula eroaleak bereizten ditu eta bide eroaleak hausten ditu (5B irudia).Filma berehala isolatzaile bihurtzen da eta horrela bateriaren funtzionamendua amaitzen du (5C irudia).Prozesu hau oso itzulgarria da eta gainberotze-gertaera ugariren ondoren ere funtziona dezake errendimendua arriskuan jarri gabe.
5. irudia 2. etapako arazoak konpontzeko estrategiak.
(A) TRPS korronte-kolektorearen konmutazio termikoaren mekanismoaren ilustrazio eskematikoa.Bateria seguruak korronte-kolektore bat edo bi ditu TRPS geruza mehe batekin estalita.Normaltasunez funtzionatzen du giro-tenperaturan.Hala ere, tenperatura altua edo korronte handia izanez gero, polimero-matrizea hedatu egiten da, eta horrela partikula eroaleak bereizten dira, eta horrek bere eroankortasuna murriztu dezake, bere erresistentzia asko handituz eta bateria itzaliz.Horrela, bateriaren egitura babestu daiteke kalterik gabe.Hoztean, polimeroa uzkurtu eta jatorrizko bide eroaleak berreskuratzen ditu.(B) TRPS film desberdinen erresistentzia-aldaketak tenperaturaren arabera, PE/GrNi GrNi karga ezberdinekin eta PP/GrNi GrNiren % 30 (v/v) kargarekin.(C) LiCoO2 bateria seguruaren ahalmenaren laburpena 25 °C artean ibiltzen den eta itzalita.70 °C-tan ia zero edukitzeak itzalaldi osoa adierazten du.(A), (B) eta (C) Springer Natureren baimenarekin erreproduzitzen dira.(D) LIBentzako mikroesferetan oinarritutako itzaltze-kontzeptuaren irudikapen eskematikoa.Elektrodoak termoerantzundun mikroesferekin funtzionalizatuta daude, bateriaren barne-tenperatura kritikotik gora, trantsizio termikoa (urtu) jasaten dutenak.Urtutako kapsulek elektrodoaren gainazala estaltzen dute, hesi isolatzaile ioniko bat osatuz eta bateriaren zelula itzaliz.(E) % 94 alumina partikulaz eta % 6 estireno-butadieno kautxu (SBR) aglutinatzailez osatutako mintz konposatu inorganiko mehe eta autonomo bat prestatu zen, soluzio galdaketa metodo baten bidez.Eskuinean: konposite inorganikoen bereizgailuaren eta PE bereizgailuaren egonkortasun termikoa erakusten duten argazkiak.Bereizleak 130 °C-tan mantendu ziren 40 minutuz.PEa nabarmen txikitu zen puntudun karratua duen eremutik.Hala ere, bereizle konposatuak ez zuen uzkurtze nabarmenik erakutsi.Elsevier-en baimenarekin erreproduzitua.(F) Urtze-tenperatura handiko polimero batzuen egitura molekularra, tenperatura baxuko uzkurdura duten material bereizle gisa.Goialdea: poliimida (PI).Erdikoa: zelulosa.Behean: poli(butileno) tereftalatoa.(G) Ezkerrean: PIaren DSC espektroak PE eta PP bereizgailuarekin alderatzea;PI bereizgailuak egonkortasun termiko bikaina erakusten du 30° eta 275°C arteko tenperatura tartean.Eskuinean: kamera digitalaren argazkiak bereizgailu komertzial baten hezegarritasuna eta sintetizatutako PI bereizgailuaren propileno karbonato elektrolito batekin alderatuz.American Chemical Society-ren baimenarekin erreproduzitua.
Itzaltze termikoko bereizleak.2. fasean bateriak ihes termikoa saihesteko beste estrategia bat Li ioien kondukzio-bidea bereizgailuaren bidez ixtea da.Bereizleak LIBen segurtasunerako funtsezko osagaiak dira, energia handiko katodoaren eta anodoaren materialen arteko kontaktu elektriko zuzena ekiditen baitute garraio ionikoa ahalbidetzen duten bitartean.PP eta PE dira gehien erabiltzen diren materialak, baina egonkortasun termiko eskasa dute, ~165° eta ~135°C-ko urtze-puntuak, hurrenez hurren.LIB komertzialerako, PP/PE/PP hiru geruza egitura duten bereizgailuak dagoeneko merkaturatu dira, non PE erdiko geruza babeslea den.Bateriaren barne-tenperatura tenperatura kritikotik gora (~ 130 °C) igotzen denean, PE geruza porotsua partzialki urtzen da, filmaren poroak itxiz eta elektrolito likidoan ioien migrazioa saihestuz, PP geruzak euskarri mekanikoa eskaintzen duen bitartean barneko saihesteko. laburtzea .Bestela, LIB termikoki eragindako itzaltzea ere lor daiteke PE termoerantzuntzaileak edo parafina argizarizko mikroesferak erabiliz bateria anodoen edo bereizleen babes-geruza gisa.Barneko bateriaren tenperatura balio kritiko batera iristen denean, mikroesferak urtu egiten dira eta anodoa/bereiztzailea hesi iragazgaitz batekin estaltzen dute, Li-ioiaren garraioa geldituz eta zelula betirako itzaliz (5D irudia).
Egonkortasun termiko handiko bereizgailuak.Baterien bereizleen egonkortasun termikoa hobetzeko, bi ikuspegi garatu dira azken urteotan:
(1) Zeramikaz hobetutako bereizgailuak, SiO2 eta Al2O3 bezalako zeramikazko geruzen estaldura zuzenean edo gainazalean hazten diren poliolefina bereizleen gainazaletan edo material polimerikoetan txertatutako zeramikazko hautsak izanda (5E irudia) , oso urtze-puntu altuak eta erresistentzia mekaniko handia erakusten dute eta eroankortasun termiko nahiko altua dute.Estrategia honen bidez fabrikatutako bereizle konposatu batzuk komertzializatu dira, Separion (izen komertziala) adibidez.
(2) Bereizle-materialak poliolefinatik urtze-tenperatura handiko polimeroetara aldatzea berotzean uzkurtze baxua duten polimeroetara, hala nola, poliimida, zelulosa, poli(butileno) tereftalatoa eta beste poliester analogo batzuk, egonkortasun termikoa hobetzeko beste estrategia eraginkor bat da. bereizleen (5F irudia).Esate baterako, poliimida alternatiba itxaropentsutzat jotzen den polimero termoegonkor bat da, egonkortasun termiko bikainagatik (400 °C baino gehiago egonkorra), erresistentzia kimiko ona, trakzio erresistentzia handia, elektrolitoen hezegarritasun ona eta suaren erresistentziagatik.5G irudia) .
Hozte funtzioa duten bateria paketeak.Airearen zirkulazioaren edo hozte likidoaren bidez gaitutako gailuen eskalako kudeaketa termikoaren sistemak erabili dira bateriaren errendimendua hobetzeko eta tenperaturaren igoera moteltzeko.Gainera, fase-aldaketako materialak, esate baterako, parafina argizaria, bateria-paketeetan sartu dira bero-hustugailu gisa jarduteko, haien tenperatura erregulatzeko, eta, beraz, tenperatura gehiegikeria saihestuz.
3. etapako problemak ebazteko (errekuntza eta leherketa)
Beroa, oxigenoa eta erregaia, "suaren triangelua" izenez ezagutzen direnak, dira sute gehienetarako beharrezko osagaiak.1. eta 2. etapetan sortutako beroa eta oxigenoa metatzearekin batera, erregaia (hau da, oso sukoiak diren elektrolitoak) automatikoki hasiko da erretzen.Elektrolito-disolbatzaileen sukoitasuna murriztea ezinbestekoa da bateriaren segurtasunerako eta LIBen eskala handiko aplikazio gehiagorako.
Suaren aurkako gehigarriak.Ikerketa-ahalegin izugarriak egin dira elektrolito likidoen sukoitasuna murrizteko suaren aurkako gehigarrien garapenean.Elektrolito likidoetan erabiltzen diren suaren aurkako gehigarri gehienak fosforo-konposatu organikoetan edo konposatu organiko halogenatuetan oinarritzen dira.Halogenoak ingurumenerako eta giza osasunerako arriskutsuak direnez, fosforo-konposatu organikoak hautagai itxaropentsuagoak dira suaren iragazpenerako gehigarri gisa, suaren iragazpenerako gaitasun handia eta ingurumena errespetatzen dutelako.Fosforo organikoen ohiko konposatuek trimetil fosfatoa, trifenil fosfatoa, bis(2-metoxietoxi)metilalilfosfonatoa, tris(2,2,2-trifluoroetil)fosfitoa, (etoxi)pentafluoroziklotrifosfazenoa, etileno etilfosfatoa, etab.6A irudia).Fosforoa duten konposatu hauen suaren atzerapenaren efektuen mekanismoa, oro har, erradikalak kentzeko prozesu kimiko bat dela uste da.Errekuntzan, fosforoa duten molekulak fosforoa duten erradikal aske espezietan deskonposatu daitezke, eta, ondoren, errekuntza etengabearen erantzule diren kate-erreakzioaren hedapenean sortutako erradikalak (adibidez, H eta OH erradikalak) amai ditzakete.6. irudia, B eta C) .Zoritxarrez, suaren murrizketa suaren murrizketa fosforoa duten suaren atzeragarri hauek gehitzearekin batera, errendimendu elektrokimikoaren kaltetan gertatzen da.Konpromiso hori hobetzeko, beste ikertzaile batzuek aldaketa batzuk egin dituzte beren egitura molekularrean: (i) alkil fosfatoen fluorazio partzialak haien egonkortasun erreduktiboa eta suaren aurkako eraginkortasuna hobetu ditzake;(ii) babes-filmak sortzeko eta suaren aurkako propietateak dituzten konposatuak erabiltzea, hala nola bis(2-metoxietoxi)metilalilfosfonatoa, non talde alilikoak polimerizatu eta SEI film egonkorra osa dezaketen grafitozko gainazaletan, horrela alde arriskutsuak eraginkortasunez saihestuz. erreakzioak;(iii) P(V) fosfatoaren aldaketa P(III) fosfitoetara, SEI eraketa errazten dutenak eta PF5 arriskutsua desaktibatzeko gai direnak [adibidez, tris(2,2,2-trifluoroetil)fosfitoa];eta (iv) organofosforezko gehigarriak fosfazeno ziklikoekin ordezkatzea, batez ere ziklofosfazeno fluoratua, bateragarritasun elektrokimikoa hobetu dutenak.
6. irudia 3. etapako arazoak konpontzeko estrategiak.
(A) Suaren aurkako gehigarrien egitura molekular tipikoak.(B) Fosforoa duten konposatu hauen suaren atzerapenaren efektuen mekanismoa, oro har, erradikalak kentzeko prozesu kimiko bat dela uste da, gas fasean errekuntza-erreakzioaren ardura duten erradikal-kate-erreakzioak amaitu ditzakeena.TPP, trifenil fosfatoa.(C) Karbonato-elektrolito tipikoaren auto-itzaltzeko denbora (SET) nabarmen murriztu daiteke trifenil fosfatoa gehituta.(D) LIBetarako sugarrari eragiten dion propietate termikoak dituen elektrospun bereizgailu "adimentsua"ren eskema.Bereizle independentea nukleo-eskola egitura duten mikrozuntzez osatuta dago, non suaren aurkakoa nukleoa den eta polimeroa oskola den.Abiarazte termikoan, polimero-oskola urtu egiten da eta, ondoren, kapsulatutako suaren atzerapena elektrolitora askatzen da, eta, horrela, elektrolitoen piztea eta erretzea eraginkortasunez kenduko da.(E) TPP@PVDF-HFP mikrozuntzen SEM irudiak grabatu ostean argi erakusten du beren nukleo-oskolaren egitura.Eskala barra, 5 μm.(F) LIBetarako sukoi gabeko elektrolito gisa erabiltzen diren giro-tenperaturako likido ionikoaren egitura molekular tipikoak.(G) PFPEren egitura molekularra, perfluoratutako PEO analogo sukoia.Bi metil karbonato talde aldatzen dira polimero-kateen terminaletan, molekulen bateragarritasuna bermatzeko egungo bateria-sistemekin.
Kontuan izan behar da zerrendatutako gehigarrietarako elektrolitoaren sukoitasun murriztuaren eta zelulen errendimenduaren arteko trukaketa bat dagoela, nahiz eta konpromiso hori goiko diseinu molekularren bidez hobetu den.Arazo hau konpontzeko proposatzen den beste estrategia bat suaren atzeratzailea mikrozuntzen polimero babeslearen barnean sartzea da, eta horiek gehiago pilatzen dira ehundu gabeko bereizle bat osatzeko (6D irudia) .LIBentzako elektrospun ehundu gabeko mikrozuntzezko bereizle berri bat sortu zen termikoki abiarazitako suaren aurkako propietateak dituena.Polimero babeslearen barnean suaren igorpena kapsulatzeari esker, suaren igorgailuaren elektrolitoarekiko esposizio zuzena saihesten da, bateriaren errendimendu elektrokimikoan atzeratzaileen eragin negatiboak saihestuz (6E irudia).Hala ere, LIB bateriaren ihes termikoa gertatzen bada, poli(binilidenfluoruroa-hexafluoropropilenoa) kopolimeroa (PVDF-HFP) oskola urtu egingo da tenperatura igo ahala.Ondoren, kapsulatutako trifenil fosfato suaren atzeratzailea elektrolitoan askatuko da, eta horrela oso sukoitzen diren elektrolitoen errekuntza modu eraginkorrean kenduko da.
"Gatz-kontzentratutako elektrolito" kontzeptua ere garatu zen dilema hori konpontzeko.Pila kargagarrietarako sua itzaltzen duten elektrolito organiko hauek LiN(SO2F)2 dute gatz gisa eta trimetil fosfatoaren (TMP) suaren igorpen ezagun bat disolbatzaile bakar gisa.Anodoan gatz-eratorritako SEI inorganiko sendo baten bat-bateko eraketa funtsezkoa da errendimendu elektrokimiko egonkorra izateko.Estrategia berri hau beste hainbat sugar-iragantzailetara heda daiteke eta bide berri bat ireki dezake sugar-iragazle-disolbatzaile berriak garatzeko LIB seguruagoetarako.
Elektrolito likido sukoiak.Elektrolitoaren segurtasun-arazoetarako azken irtenbidea berez sukoiak ez diren elektrolitoak garatzea izango litzateke.Aztertu den elektrolito sukoigarrien talde bat likido ionikoak dira, batez ere giro-tenperaturako likido ionikoak, ez-hegazkorrak (200 °C-tik beherako lurrun-presio detektagarria) eta sukoak ez direnak eta tenperatura-leiho zabala dutenak (6F irudia) .Hala ere, etengabeko ikerketa behar da biskositate handiko, Li transferentzia-kopuru baxuaren, ezegonkortasun katodiko edo erreduktorearen eta likido ionikoen kostu altuaren ondoriozko tasa baxuko gaitasunaren arazoak konpontzeko.
Pisu molekular baxuko hidrofluoroeterrak sukoi gabeko elektrolito likidoen beste klase bat dira, suaren puntu altua edo ez dutelako, sukoitasunik eza, gainazaleko tentsio baxua, biskositate baxua, izozte tenperatura baxua, etab.Diseinu molekular egokia egin behar da haien propietate kimikoak bateriaren elektrolitoen irizpideak betetzeko egokitzeko.Duela gutxi jakinarazi den adibide interesgarri bat perfluoropoliether (PFPE) da, polietileno oxido perfluoratua (PEO) analogoa, sukoitasunik ezagatik ezaguna dena (6G irudia) .Bi metil karbonato talde aldatzen dira PFPE kateen (PFPE-DMC) talde terminaletan, molekulen bateragarritasuna bermatzeko egungo bateria-sistemekin.Horrela, PFPEen ez-sukoitasunak eta egonkortasun termikoak LIBen segurtasuna nabarmen hobetu dezakete elektrolito-transferentzia-kopurua areagotuz, egitura molekularren diseinu berezia dela eta.
3. etapa ihesaldi termikoaren prozesurako azken fasea da, baina bereziki erabakigarria.Kontuan izan behar da punta-puntako elektrolito likidoaren sukoitasuna murrizteko ahalegin handiak egin badira ere, lurrunkorrak ez diren egoera solidoko elektrolitoak erabiltzeak itxaropen handia duela.Elektrolito solidoak bi kategoriatan banatzen dira nagusiki: zeramikazko elektrolito ez-organikoak [sulfuroak, oxidoak, nitruroak, fosfatoak, etab.] eta polimero solidoen elektrolitoak [Li gatzen nahasketak polimeroekin, hala nola poli(etileno oxidoa), poliakrilonitriloa, etab.].Elektrolito solidoak hobetzeko ahaleginak ez dira hemen zehatz-mehatz azalduko, gai hau dagoeneko ondo laburtu baita azken berrikuspen batzuetan.
IKUSPEGIA
Iraganean, material berri asko garatu dira bateriaren segurtasuna hobetzeko, arazoa oraindik guztiz konpondu ez den arren.Gainera, segurtasun arazoen azpian dauden mekanismoak aldatu egiten dira bateriaren kimika desberdinen arabera.Horrela, bateria desberdinetarako egokitutako material espezifikoak diseinatu behar dira.Uste dugu metodo eraginkorragoak eta ondo diseinatutako materialak aurkitzeko geratzen direla.Hemen, etorkizuneko bateriaren segurtasunaren ikerketarako hainbat jarraibide zerrendatzen ditugu.
Lehenik eta behin, garrantzitsua da in situ edo in operando metodoak garatzea LIBen barne osasun-baldintzak detektatzeko eta kontrolatzeko.Esate baterako, ihes-prozesu termikoa oso lotuta dago LIBen barneko tenperatura edo presioaren igoerarekin.Hala ere, baterien barneko tenperatura-banaketa konplexu samarra da, eta elektrolitoen eta elektrodoen eta baita bereizleen balioak zehatz-mehatz kontrolatzeko metodoak behar dira.Beraz, osagai desberdinetarako parametro horiek neurtu ahal izatea funtsezkoa da diagnostikoa egiteko eta, horrela, bateriaren segurtasun arriskuak saihesteko.
Bereizleen egonkortasun termikoa funtsezkoa da bateriaren segurtasunerako.Urtze-puntu altuak dituzten polimero garatu berriak eraginkorrak dira bereizgailuaren osotasun termikoa handitzeko.Hala ere, haien propietate mekanikoak txikiagoak dira oraindik, bateriak muntatzean prozesagarritasuna asko murriztuz.Gainera, prezioa aplikazio praktikoetarako kontuan hartu beharreko faktore garrantzitsua da.
Elektrolito solidoen garapena LIBen segurtasun arazoetarako azken irtenbidea dela dirudi.Elektrolito solidoak asko murriztuko du bateriaren barne-laburrak izateko aukera, sute eta leherketa arriskuarekin batera.Elektrolito solidoen aurrerapenean ahalegin handiak egin badira ere, haien errendimenduak elektrolito likidoen atzetik jarraitzen du.Elektrolito ez-organikoen eta polimeroen konpositeek potentzial handia erakusten dute, baina diseinu eta prestaketa delikatuak behar dituzte.Azpimarratzen dugu polimero ez-organikoen interfazeen diseinu egokia eta haien lerrokaduraren ingeniaritza funtsezkoak direla Li-ioiaren garraio eraginkorra izateko.
Kontuan izan behar da elektrolito likidoa ez dela erregaia den bateriaren osagai bakarra.Esate baterako, LIBak oso kargatuta daudenean, anodo litiatuaren material erregaiak (adibidez, grafito litiatua) segurtasun kezka handia dira.Egoera solidoko materialen sua modu eraginkorrean atzera ditzaketen suaren atzeragarriak oso eskatzen dira haien segurtasuna areagotzeko.Suaren aurkakoak grafitoarekin nahas daitezke aglutinatzaile polimerikoen edo egitura eroaleen moduan.
Bateriaren segurtasuna arazo nahiko konplexua eta sofistikatua da.Baterien segurtasunaren etorkizunak ahalegin handiagoa eskatzen du oinarrizko ikasketa mekanikoetan sakonago ulertzeko, karakterizazio-metodo aurreratuagoez gain, informazio gehiago eskain dezakete materialen diseinua bideratzeko.Berrikuspen honek materialen mailako segurtasunean zentratzen bada ere, kontuan izan behar da ikuspegi holistiko bat gehiago behar dela LIBen segurtasun-arazoa konpontzeko, non materialek, zelulen osagaiak eta formatuak eta bateria-moduluak eta paketeak funtzio berdinak betetzen dituzten bateriak fidagarriak izan daitezen aurretik. merkatura ateratzen dira.
ERREFERENTZIAK ETA OHARRAK
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, Litio-ioizko bateriaren segurtasunerako materialak, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
Argitalpenaren ordua: 2021-05-05
