Abstract
Lithium-ionbatterijen (LIB's) worden beschouwd als een van de belangrijkste technologieën voor energieopslag.Naarmate de energiedichtheid van batterijen toeneemt, wordt de veiligheid van batterijen nog belangrijker als de energie onbedoeld vrijkomt.Ongevallen in verband met branden en explosies van LIB's komen wereldwijd veelvuldig voor.Sommige hebben ernstige bedreigingen voor het leven en de gezondheid van mensen veroorzaakt en hebben geleid tot talrijke terugroepacties van producten door fabrikanten.Deze incidenten herinneren ons eraan dat veiligheid een eerste vereiste is voor batterijen en dat ernstige problemen moeten worden opgelost voordat in de toekomst energierijke batterijsystemen kunnen worden toegepast.Deze recensie is bedoeld om de basisprincipes van de oorsprong van LIB-veiligheidsproblemen samen te vatten en de recente belangrijke vooruitgang in materiaalontwerp te benadrukken om de LIB-veiligheid te verbeteren.We verwachten dat deze Review zal leiden tot verdere verbetering van de batterijveiligheid, met name voor opkomende LIB's met een hoge energiedichtheid.
DE OORSPRONG VAN LIB-VEILIGHEIDSPROBLEMEN
De organische vloeibare elektrolyt in LIB's is intrinsiek ontvlambaar.Een van de meest catastrofale storingen van een LIB-systeem is de trapsgewijze thermische runaway-gebeurtenis, die wordt beschouwd als de belangrijkste oorzaak van bezorgdheid over de veiligheid van de batterij.Over het algemeen treedt thermische runaway op wanneer een exotherme reactie uit de hand loopt.Naarmate de temperatuur van de batterij stijgt tot boven ~80°C, neemt de exotherme chemische reactiesnelheid in de batterijen toe en wordt de cel verder opgewarmd, wat resulteert in een positieve feedbackcyclus.De voortdurend stijgende temperaturen kunnen leiden tot brand en explosies, vooral bij grote accu's.Daarom kan het begrijpen van de oorzaken en processen van thermische runaway het ontwerp van functionele materialen leiden om de veiligheid en betrouwbaarheid van LIB's te verbeteren.Het thermische runaway-proces kan worden onderverdeeld in drie fasen, zoals samengevat in:figuur 1.
Fig. 1 Drie fasen voor het thermische runaway-proces.
Fase 1: Het begin van oververhitting.De batterijen veranderen van een normale naar een abnormale toestand en de interne temperatuur begint te stijgen.Fase 2: Warmteaccumulatie en gasafgifteproces.De interne temperatuur stijgt snel en de batterij ondergaat exotherme reacties.Fase 3: Verbranding en explosie.De ontvlambare elektrolyt ontbrandt, wat leidt tot branden en zelfs explosies.
Het begin van oververhitting (fase 1)
Thermal runaway begint bij oververhitting van het batterijsysteem.De initiële oververhitting kan optreden als gevolg van het opladen van de batterij boven de ontworpen spanning (overladen), blootstelling aan te hoge temperaturen, externe kortsluitingen als gevolg van defecte bedrading of interne kortsluitingen als gevolg van celdefecten.Onder hen is interne kortsluiting de belangrijkste reden voor thermische op hol geslagen en is relatief moeilijk te beheersen.Interne kortsluiting kan optreden in omstandigheden van celverplettering, zoals het binnendringen van externe metaalresten;botsing van voertuigen;vorming van lithiumdendriet bij opladen met hoge stroomdichtheid, bij overladen of bij lage temperaturen;en gebrekkige afscheiders die zijn gemaakt tijdens de montage van de batterij, om er maar een paar te noemen.Begin oktober 2013 raakte een Tesla-auto in de buurt van Seattle bijvoorbeeld metaalafval dat het schild en het batterijpakket doorboorde.Het puin drong door de polymeerscheiders en verbond de kathode en anode rechtstreeks met elkaar, waardoor de batterij kortsluiting maakte en vlam vatte;in 2016 waren de batterijbranden van de Samsung Note 7 te wijten aan de agressief ultradunne separator die gemakkelijk werd beschadigd door druk van buitenaf of de lasbramen op de positieve elektrode, waardoor de batterij kortsluiting maakte.
Tijdens fase 1 verandert de werking van de batterij van een normale naar een abnormale toestand en alle hierboven genoemde problemen zorgen ervoor dat de batterij oververhit raakt.Wanneer de interne temperatuur begint te stijgen, eindigt fase 1 en begint fase 2.
Warmteaccumulatie en gasafgifteproces (fase 2)
Als fase 2 begint, stijgt de interne temperatuur snel en ondergaat de batterij de volgende reacties (deze reacties vinden niet in de exacte volgorde plaats; sommige kunnen tegelijkertijd plaatsvinden):
(1) Ontleding van vaste elektrolyt interfase (SEI) als gevolg van oververhitting of fysieke penetratie.De SEI-laag bestaat voornamelijk uit stabiele (zoals LiF en Li2CO3) en metastabiele [zoals polymeren, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 en ROLi] componenten.De metastabiele componenten kunnen echter exotherm ontleden bij ruwweg >90°C, waarbij ontvlambare gassen en zuurstof vrijkomen.Neem (CH2OCO2Li)2 als voorbeeld
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) Met de ontleding van SEI wordt de temperatuur hoger en zal het lithiummetaal of geïntercaleerd lithium in de anode reageren met de organische oplosmiddelen in de elektrolyt, waarbij ontvlambare koolwaterstofgassen (ethaan, methaan en andere) vrijkomen.Dit is een exotherme reactie die de temperatuur verder opdrijft.
(3) Wanneer?T> ~130°C, de polyethyleen (PE)/polypropyleen (PP) separator begint te smelten, wat de situatie verder verslechtert en een kortsluiting veroorzaakt tussen de kathode en de anode.
(4) Uiteindelijk veroorzaakt warmte de ontleding van het lithiummetaaloxide-kathodemateriaal en resulteert in het vrijkomen van zuurstof.Neem als voorbeeld LiCoO2, dat als volgt kan ontleden vanaf ~180°C:
De afbraak van de kathode is ook sterk exotherm, waardoor de temperatuur en druk verder toenemen en als resultaat de reacties verder versnellen.
Tijdens fase 2 stijgt de temperatuur en hoopt zich zuurstof op in de batterijen.Het thermische op hol geslagen proces gaat van fase 2 naar fase 3 zodra er voldoende zuurstof en warmte zijn verzameld voor de verbranding van de batterij.
Verbranding en explosie (fase 3)
In fase 3 begint de verbranding.De elektrolyten van LIB's zijn organisch, wat bijna universele combinaties zijn van cyclische en lineaire alkylcarbonaten.Ze hebben een hoge vluchtigheid en zijn intrinsiek licht ontvlambaar.Als we de algemeen gebruikte carbonaatelektrolyt [het mengsel van ethyleencarbonaat (EC) + dimethylcarbonaat (DMC) (1:1 op gewichtsbasis)] als voorbeeld nemen, vertoont het een dampdruk van 4,8 kPa bij kamertemperatuur en een extreem laag vlampunt van 25° ± 1°C bij een luchtdruk van 1.013 bar.De vrijgekomen zuurstof en warmte in fase 2 zorgen voor de vereiste voorwaarden voor de verbranding van ontvlambare organische elektrolyten, waardoor brand- of explosiegevaar ontstaat.
In de fasen 2 en 3 vinden de exotherme reacties plaats onder bijna adiabatische omstandigheden.Acceleratie-calorimetrie (ARC) is dus een veelgebruikte techniek die de omgeving binnen de LIB's simuleert, wat ons begrip van de thermische op hol geslagen reactiekinetiek vergemakkelijkt.Figuur 2toont een typische ARC-curve van een LIB die is opgenomen tijdens de thermische misbruiktests.Door de temperatuurstijgingen in fase 2 te simuleren, verhoogt een externe warmtebron de batterijtemperatuur tot de begintemperatuur.Boven deze temperatuur ontleedt de SEI, wat meer exotherme chemische reacties zal veroorzaken.Uiteindelijk zal de separator smelten.De zelfopwarmingssnelheid zal daarna toenemen, wat leidt tot thermische runaway (wanneer de zelfopwarmingssnelheid >10°C/min is) en elektrolytverbranding (fase 3).
De anode is mesocarbon microbead grafiet.De kathode is LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.De elektrolyt is 1,2 M LiPF6 in EC/PC/DMC.Er werd een Celgard 2325 drielaagse separator gebruikt.Aangepast met toestemming van Electrochemical Society Inc.
Opgemerkt moet worden dat de hierboven geïllustreerde reacties niet strikt na elkaar in de gegeven volgorde plaatsvinden.Het zijn eerder complexe en systematische vraagstukken.
MATERIALEN MET VERBETERDE BATTERIJVEILIGHEID
Op basis van het begrip van thermische runaway van batterijen, worden veel benaderingen bestudeerd, met als doel de veiligheidsrisico's te verminderen door een rationeel ontwerp van batterijcomponenten.In de volgende paragrafen vatten we verschillende materiaalbenaderingen samen om de batterijveiligheid te verbeteren en problemen op te lossen die overeenkomen met verschillende thermische runaway-stadia.
Om de problemen in fase 1 op te lossen (het begin van oververhitting)
Betrouwbare anodematerialen.De Li-dendrietformatie op de anode van LIB initieert de eerste fase van thermische wegloop.Hoewel dit probleem is verholpen in de anoden van commerciële LIB's (bijvoorbeeld koolstofhoudende anoden), is de vorming van Li-dendriet niet volledig geremd.In commerciële LIB's vindt dendrietafzetting bijvoorbeeld bij voorkeur plaats aan de randen van de grafietelektrode als de anoden en kathoden niet goed gepaard zijn.Bovendien kunnen de onjuiste bedrijfsomstandigheden van de LIB's ook leiden tot Li-metaalafzetting met dendrietgroei.Het is algemeen bekend dat dendriet gemakkelijk kan worden gevormd als de batterij wordt opgeladen (i) bij hoge stroomdichtheden waarbij de afzetting van Li-metaal sneller is dan de diffusie van Li-ionen in het bulkgrafiet;(ii) onder omstandigheden van overladen wanneer grafiet overgelithieerd is;en (iii) bij lage temperaturen [bijvoorbeeld subomgevingstemperatuur (~0°C)], vanwege de verhoogde viscositeit van de vloeibare elektrolyt en de verhoogde Li-ion-diffusieweerstand.
Vanuit het oogpunt van materiaaleigenschappen is de worteloorsprong die het begin van Li-dendrietgroei op de anode bepaalt de onstabiele en niet-uniforme SEI, die een ongelijke lokale stroomverdeling veroorzaakt.Elektrolytcomponenten, met name additieven, zijn onderzocht om de SEI-uniformiteit te verbeteren en de vorming van Li-dendriet te elimineren.Typische additieven omvatten anorganische verbindingen [bijvoorbeeld C02, LiI, enz.] en organische verbindingen die onverzadigde koolstofbindingen bevatten zoals vinyleencarbonaat en maleïmide-additieven;onstabiele cyclische moleculen zoals butyrolacton, ethyleensulfiet en hun derivaten;en gefluoreerde verbindingen zoals onder andere fluorethyleencarbonaat.Zelfs op het niveau van delen per miljoen kunnen deze moleculen de SEI-morfologie nog steeds verbeteren, waardoor de Li-ionflux wordt gehomogeniseerd en de mogelijkheid van Li-dendrietvorming wordt geëlimineerd.
Over het algemeen zijn de Li-dendrietuitdagingen nog steeds aanwezig in grafiet- of koolstofhoudende anoden en silicium / SiO-bevattende anoden van de volgende generatie.Het oplossen van het probleem van Li-dendrietgroei is een uitdaging die van cruciaal belang is voor de aanpassing van Li-ion-chemie met hoge energiedichtheid in de nabije toekomst.Opgemerkt moet worden dat er recentelijk aanzienlijke inspanningen zijn geleverd om het probleem van de vorming van Li-dendriet in zuivere Li-metaalanoden op te lossen door de Li-ionflux tijdens Li-afzetting te homogeniseren;bijvoorbeeld beschermende laagcoating, kunstmatige SEI-engineering, enz. In dit opzicht kunnen sommige methoden mogelijk licht werpen op hoe het probleem op koolstofhoudende anoden in LIB's ook kan worden aangepakt.
Multifunctionele vloeibare elektrolyten en afscheiders.De vloeibare elektrolyt en separator spelen een sleutelrol bij het fysiek scheiden van de hoogenergetische kathode en anode.Zo kunnen goed ontworpen multifunctionele elektrolyten en scheiders de batterijen aanzienlijk beschermen in het vroege stadium van thermische op hol geslagen batterijen (stadium 1).
Om batterijen te beschermen tegen mechanisch breken, is een afschuifverdikkende vloeibare elektrolyt verkregen door de eenvoudige toevoeging van pyrogeen silica aan carbonaatelektrolyt (1 M LiFP6 in EC/DMC).Bij mechanische druk of impact vertoont de vloeistof een afschuifverdikkend effect met een toename van de viscositeit, waardoor de impactenergie wordt afgevoerd en tolerantie voor verbrijzeling wordt aangetoond (Afb. 3A)
Fig. 3 Strategieën om de problemen in fase 1 op te lossen.
(A) Shear verdikking elektrolyt.Boven: Bij normaal elektrolyt kan mechanische impact leiden tot interne kortsluiting van de batterij, wat brand en explosies kan veroorzaken.Bodem: de nieuwe slimme elektrolyt met afschuifverdikkingseffect onder druk of impact vertoont een uitstekende tolerantie voor verbrijzeling, wat de mechanische veiligheid van batterijen aanzienlijk zou kunnen verbeteren.(B) Bifunctionele scheiders voor vroege detectie van lithiumdendrieten.Dendrietvorming in een traditionele lithiumbatterij, waarbij volledige penetratie van de separator door een lithiumdendriet pas wordt gedetecteerd wanneer de batterij uitvalt vanwege een interne kortsluiting.Ter vergelijking: een lithiumbatterij met een bifunctionele scheider (bestaande uit een geleidende laag tussen twee conventionele scheiders), waarbij de overgroeide lithiumdendriet de scheider binnendringt en contact maakt met de geleidende koperlaag, wat resulteert in een daling van deVCu−Li, dat dient als waarschuwing voor een dreigende storing als gevolg van een interne kortsluiting.De volle batterij blijft echter veilig operationeel met een potentieel van niet-nul.(A) en (B) zijn aangepast of gereproduceerd met toestemming van Springer Nature.(C) Trilayer-scheider om gevaarlijke Li-dendrieten te verbruiken en de levensduur van de batterij te verlengen.Links: Lithiumanoden kunnen gemakkelijk dendritische afzettingen vormen, die geleidelijk groter kunnen worden en de inerte polymeerscheider kunnen binnendringen.Wanneer de dendrieten uiteindelijk de kathode en anode verbinden, wordt de batterij kortgesloten en faalt.Rechts: een laag silica-nanodeeltjes werd gesandwiched door twee lagen commerciële polymeerscheiders.Daarom, wanneer lithiumdendrieten groeien en de separator binnendringen, zullen ze in contact komen met de silica-nanodeeltjes in de sandwichlaag en elektrochemisch worden verbruikt.(D) Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding van de silica nanoparticle sandwiched separator.(E) Typisch spannings-versus-tijdprofiel van een Li/Li-batterij met een conventionele separator (rode curve) en de silica-nanodeeltjes ingeklemde drielaagse separator (zwarte curve) getest onder dezelfde omstandigheden.(C), (D) en (E) zijn gereproduceerd met toestemming van John Wiley and Sons.(F) Schematische weergave van de mechanismen van de redox-shuttle-additieven.Op een overladen kathodeoppervlak wordt het redoxadditief geoxideerd tot de vorm [O], die vervolgens door diffusie door de elektrolyt op het oppervlak van de anode wordt teruggebracht tot zijn oorspronkelijke staat [R].De elektrochemische cyclus van oxidatie-diffusie-reductie-diffusie kan voor onbepaalde tijd worden gehandhaafd en vergrendelt daarom het kathodepotentieel tegen gevaarlijke overlading.(G) Typische chemische structuren van de redox-shuttle-additieven.(H) Mechanisme van de additieven voor het uitschakelen van overlading die elektrochemisch kunnen polymeriseren bij hoge potentiëlen.(I) Typische chemische structuren van de additieven voor overbelasting.De werkpotentialen van de additieven worden vermeld onder elke moleculaire structuur in (G), (H) en (I).
Scheiders kunnen de kathode en anode elektronisch isoleren en spelen een belangrijke rol bij het bewaken van de gezondheidstoestand van een batterij in situ om verdere achteruitgang na fase 1 te voorkomen. Bijvoorbeeld een "bifunctionele separator" met een polymeer-metaal-polymeer drielaagse configuratie (Afb. 3B) kan een nieuwe spanningsdetectiefunctie bieden.Wanneer een dendriet uitgroeit en de tussenlaag bereikt, zal het de metaallaag en de anode zo verbinden dat een plotselinge spanningsval ertussen onmiddellijk als output kan worden gedetecteerd.
Naast detectie is een drielaagse separator ontworpen om de gevaarlijke Li-dendrieten te consumeren en hun groei te vertragen nadat ze de separator zijn binnengedrongen.Een laag silica nanodeeltjes, gesandwiched door twee lagen commerciële polyolefin separators (Afb. 3, C en D), kunnen alle penetrerende gevaarlijke Li-dendrieten verbruiken, waardoor de batterijveiligheid efficiënt wordt verbeterd.De levensduur van de beschermde batterij werd ongeveer vijf keer aanzienlijk verlengd in vergelijking met conventionele separatoren (Afb. 3E).
Bescherming tegen overladen.Overladen wordt gedefinieerd als het opladen van een batterij boven de ontworpen spanning.Overladen kan worden veroorzaakt door hoge specifieke stroomdichtheden, agressieve laadprofielen, enz., die een reeks problemen kunnen veroorzaken, waaronder (i) afzetting van Li-metaal op de anode, wat de elektrochemische prestaties en veiligheid van de batterij ernstig aantast;(ii) ontleding van het kathodemateriaal, waarbij zuurstof vrijkomt;en (iii) ontleding van de organische elektrolyt, waarbij warmte en gasvormige producten (H2, koolwaterstoffen, CO, enz.) vrijkomen, die verantwoordelijk zijn voor thermische runaway.De elektrochemische reacties tijdens de ontleding zijn gecompliceerd, waarvan er enkele hieronder worden vermeld.
De asterisk (*) geeft aan dat het waterstofgas afkomstig is van de protische, groepen verlaten die worden gegenereerd tijdens de oxidatie van carbonaten aan de kathode, die vervolgens diffunderen naar de anode om te worden gereduceerd en H2 genereren.
Op basis van de verschillen in hun functies kunnen de additieven ter bescherming tegen overlading worden geclassificeerd als redox-shuttle-additieven en stop-additieven.De eerste beschermt de cel omkeerbaar tegen overbelasting, terwijl de laatste de celwerking permanent beëindigt.
Redox-shuttle-additieven werken door het elektrochemisch rangeren van de overtollige lading die in de batterij wordt geïnjecteerd wanneer overbelasting optreedt.Zoals getoond inAfb. 3F, het mechanisme is gebaseerd op een redox-additief dat een oxidatiepotentieel heeft dat iets lager is dan dat van de elektrolyt-anodische ontleding.Op een overladen kathodeoppervlak wordt het redoxadditief geoxideerd tot de vorm [O], die vervolgens na diffusie door de elektrolyt op het oppervlak van de anode wordt teruggebracht tot zijn oorspronkelijke staat [R].Daarna kan het gereduceerde additief terug diffunderen naar de kathode, en de elektrochemische cyclus van "oxidatie-diffusie-reductie-diffusie" kan voor onbepaalde tijd worden gehandhaafd en blokkeert zo het kathodepotentieel tegen verdere gevaarlijke overlading.Studies hebben aangetoond dat de redoxpotentiaal van de additieven ongeveer 0,3 tot 0,4 V hoger moet zijn dan de potentiaal van de kathode.
Er is een reeks additieven ontwikkeld met goed op maat gemaakte chemische structuren en redoxpotentialen, waaronder organometallische metallocenen, fenothiazinen, trifenylaminen, dimethoxybenzenen en hun derivaten, en 2-(pentafluorfenyl)-tetrafluor-1,3,2-benzodioxabool (Afb. 3G).Door moleculaire structuren op maat te maken, kunnen de additieve oxidatiepotentialen worden afgestemd op meer dan 4 V, wat geschikt is voor de zich snel ontwikkelende hoogspanningskathodematerialen en elektrolyten.Het basisontwerpprincipe omvat het verlagen van de hoogst bezette moleculaire orbitaal van het additief door middel van het toevoegen van elektronenzuigende substituten, wat leidt tot een toename van het oxidatiepotentieel.Naast organische additieven kunnen sommige anorganische zouten, die niet alleen als elektrolytzout kunnen dienen, maar ook als redox-shuttle kunnen dienen, zoals perfluoroboraanclusterzouten [dat wil zeggen lithiumfluorododecaboraten (Li2B12FxH12−x)], bleken ook efficiënte redox-shuttle-additieven te zijn.
Overbelastingsadditieven voor uitschakelen zijn een klasse van onomkeerbare additieven voor bescherming tegen overlading.Ze werken ofwel door gas met een hoog potentieel vrij te geven, dat op zijn beurt een stroomonderbreker activeert, of door permanent elektrochemisch te polymeriseren bij een hoog potentieel om de werking van de batterij te beëindigen voordat catastrofale resultaten optreden (Afb. 3H).Voorbeelden van de eerstgenoemde omvatten xyleen, cyclohexylbenzeen en bifenyl, terwijl voorbeelden van de laatstgenoemde bifenyl en andere gesubstitueerde aromatische verbindingen omvatten (Afb. 3I).De negatieve effecten van shutdown-additieven zijn nog steeds de lange termijn werking en opslagprestaties van de LIB's vanwege de onomkeerbare oxidatie van deze verbindingen.
Om de problemen in fase 2 op te lossen (warmteaccumulatie en gasafgifteproces)
Betrouwbare kathodematerialen.Lithium-overgangsmetaaloxiden, zoals gelaagde oxiden LiCoO2, LiNiO2 en LiMnO2;het spinel-type oxide LiM2O4;en het polyanion-type LiFePO4, zijn in de volksmond gebruikte kathodematerialen, die echter veiligheidsproblemen hebben, vooral bij hoge temperaturen.Onder hen is de olivijn-gestructureerde LiFePO4 relatief veilig, die stabiel is tot 400°C, terwijl LiCoO2 begint te ontleden bij 250°C.De reden voor de verbeterde veiligheid van LiFePO4 is dat alle zuurstofionen sterke covalente bindingen vormen met P5+ om de PO43−-tetraëdrische polyanionen te vormen, die het gehele driedimensionale raamwerk stabiliseren en verbeterde stabiliteit bieden in vergelijking met andere kathodematerialen, hoewel er nog steeds zijn enkele ongevallen met batterijbranden gemeld.Het grootste veiligheidsrisico vloeit voort uit de ontleding van deze kathodematerialen bij verhoogde temperaturen en de gelijktijdige afgifte van zuurstof, die samen kunnen leiden tot verbranding en explosies, waardoor de veiligheid van de batterij ernstig in gevaar komt.Zo is de kristalstructuur van het gelaagde oxide LiNiO2 instabiel vanwege het bestaan van Ni2+, waarvan de ionische grootte vergelijkbaar is met die van Li+.De gedelithieerde LixNiO2 (x< 1) heeft de neiging om LiNi2O4 (spinel) en steenzout-type NiO om te zetten in een stabielere spinel-type fase, waarbij zuurstof vrijkomt in vloeibaar elektrolyt bij ongeveer 200°C, wat leidt tot elektrolytverbranding.
Er zijn aanzienlijke inspanningen gedaan om de thermische stabiliteit van deze kathodematerialen te verbeteren door atoomdotering en oppervlaktebeschermende coatings.
Atoomdoping kan de thermische stabiliteit van de gelaagde oxidematerialen aanzienlijk verhogen vanwege de resulterende gestabiliseerde kristalstructuren.De thermische stabiliteit van LiNiO2 of Li1.05Mn1.9504 kan aanzienlijk worden verbeterd door gedeeltelijke vervanging van Ni of Mn door andere metaalkationen, zoals Co, Mn, Mg en Al.Voor LiCoO2 kan de introductie van doterings- en legeringselementen zoals Ni en Mn de begintemperatuur van de ontbinding drastisch verhogenTdecember, terwijl ook reacties met elektrolyt bij hoge temperaturen worden vermeden.Toenames van de thermische stabiliteit van de kathode gaan echter in het algemeen gepaard met opofferingen in specifieke capaciteit.Om dit probleem op te lossen, is een kathodemateriaal met concentratiegradiënt voor oplaadbare lithiumbatterijen ontwikkeld op basis van een gelaagd lithium-nikkel-kobalt-mangaanoxide (Afb. 4A) .In dit materiaal heeft elk deeltje een Ni-rijke centrale massa en een Mn-rijke buitenlaag, met afnemende Ni-concentratie en toenemende Mn- en Co-concentraties naarmate het oppervlak nadert (Afb. 4B).De eerste biedt een hoge capaciteit, terwijl de laatste de thermische stabiliteit verbetert.Dit nieuwe kathodemateriaal bleek de veiligheid van batterijen te verbeteren zonder afbreuk te doen aan hun elektrochemische prestaties (Afb. 4C).
Fig. 4 Strategieën om de problemen in fase 2 op te lossen: Betrouwbare kathoden.
(A) Schematisch diagram van een positief elektrodedeeltje met een Ni-rijke kern omgeven door een buitenlaag met concentratiegradiënt.Elk deeltje heeft een Ni-rijke centrale bulk Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 en een Mn-rijke buitenlaag [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] met afnemende Ni-concentratie en toenemende Mn- en Co-concentraties naarmate het oppervlak nadert.De eerste biedt een hoge capaciteit, terwijl de laatste de thermische stabiliteit verbetert.De gemiddelde samenstelling is Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.Een scanning-elektronenmicrofoto van een typisch deeltje wordt ook rechts getoond.(B) Electron-probe x-ray microanalyseresultaten van het uiteindelijke gelithieerde oxide Li (Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2.De geleidelijke concentratieveranderingen van Ni, Mn en Co in de tussenlaag zijn duidelijk.De Ni-concentratie neemt af en de Co- en Mn-concentraties nemen toe naar het oppervlak toe.(C) Differentiële scanning calorimetrie (DSC) sporen die de warmtestroom tonen van de reactie van de elektrolyt met concentratie-gradiënt materiaal Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, het Ni-rijke centrale materiaal Li(Ni0.8Co0.1Mn0. 1)O2 en de Mn-rijke buitenlaag [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].De materialen zijn opgeladen tot 4,3 V. (A), (B) en (C) zijn gereproduceerd met toestemming van Springer Nature.(D) Links: Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) helderveldbeeld van het met AlPO4-nanodeeltjes beklede LiCoO2;energiedispersieve röntgenspectrometrie bevestigt de Al- en P-componenten in de coatinglaag.Rechts: TEM-afbeelding met hoge resolutie die de AlPO4-nanodeeltjes (~ 3 nm in diameter) in de coatinglaag op nanoschaal toont;de pijlen geven het grensvlak tussen de AlPO4-laag en LiCoO2 aan.(E) Links: een foto van een cel met een kale LiCoO2-kathode na de 12-V-overladingstest.De cel brandde en explodeerde bij die spanning.Rechts: een foto van een cel die de met AlPO4 nanodeeltjes beklede LiCoO2 bevat na de 12-V overlaadtest.(D) en (E) zijn gereproduceerd met toestemming van John Wiley and Sons.
Een andere strategie om de thermische stabiliteit te verbeteren is om het kathodemateriaal te coaten met een beschermende dunne laag van thermisch stabiele Li+ geleidende verbindingen, die het directe contact van kathodematerialen met elektrolyt kunnen voorkomen en zo nevenreacties en warmteontwikkeling kunnen verminderen.De coatings kunnen ofwel anorganische films zijn [bijvoorbeeld ZnO, Al2O3, AlP04, AlF3, enz.], die Li-ionen kunnen geleiden nadat ze gelithieerd zijn (Afb. 4, D en E), of organische films, zoals poly(diallyldimethylammoniumchloride), beschermende films gevormd door γ-butyrolacton-additieven en multicomponent-additieven (bestaande uit vinyleencarbonaat, 1,3-propyleensulfiet en dimethylacetamide).
Het introduceren van een coating met een positieve temperatuurcoëfficiënt is ook effectief voor het verhogen van de kathodeveiligheid.Zo kunnen met poly(3-decylthiofeen) gecoate LiCoO2-kathoden elektrochemische reacties en nevenreacties stoppen zodra de temperatuur tot >80°C stijgt, aangezien de geleidende polymeerlaag snel kan transformeren naar een toestand met hoge weerstand.Coatings van zelf-beëindigde oligomeren met hypervertakte architectuur kunnen ook functioneren als een thermisch responsieve blokkeerlaag om de batterij vanaf de kathodezijde uit te schakelen.
Thermisch schakelbare stroomafnemer.Het uitschakelen van elektrochemische reacties tijdens temperatuurstijgingen van de batterij in fase 2 kan efficiënt voorkomen dat de temperatuur verder stijgt.Een snelle en omkeerbare thermoresponsieve polymeerschakeling (TRPS) is intern in de stroomcollector ingebouwd (Afb. 5A) .De TRPS dunne film bestaat uit geleidende met grafeen gecoate stekelige nanogestructureerde nikkel (GrNi) deeltjes als geleidende vulstof en een PE-matrix met een grote thermische uitzettingscoëfficiënt (α ~ 10−4 K−1).De als gefabriceerde polymeercomposietfilms vertonen een hoge geleidbaarheid (σ) bij kamertemperatuur, maar wanneer de temperatuur de schakeltemperatuur nadert (Ts), neemt de geleidbaarheid binnen 1 s met zeven tot acht orden van grootte af als gevolg van polymeervolume-expansie, die de geleidende deeltjes scheidt en de geleidende paden verbreekt (Afb. 5B).De film wordt onmiddellijk isolerend en beëindigt zo de batterijwerking (Afb. 5C).Dit proces is zeer omkeerbaar en kan zelfs na meerdere oververhittingsgebeurtenissen functioneren zonder de prestaties in gevaar te brengen.
Fig. 5 Strategieën om de problemen in fase 2 op te lossen.
(A) Schematische weergave van het thermische schakelmechanisme van de TRPS-stroomcollector.De veilige batterij heeft een of twee stroomafnemers die zijn gecoat met een dunne TRPS-laag.Het werkt normaal bij kamertemperatuur.In het geval van hoge temperaturen of grote stroomsterkte zet de polymeermatrix echter uit, waardoor de geleidende deeltjes worden gescheiden, wat de geleidbaarheid kan verminderen, de weerstand aanzienlijk kan vergroten en de batterij kan uitschakelen.Zo kan de batterijstructuur zonder schade worden beschermd.Bij afkoeling krimpt het polymeer en herwint het de oorspronkelijke geleidende paden.(B) Weerstandsveranderingen van verschillende TRPS-films als functie van de temperatuur, inclusief PE/GrNi met verschillende GrNi-ladingen en PP/GrNi met een 30% (v/v) lading van GrNi.(C) Capaciteitssamenvatting van de veilige LiCoO2-batterij die wisselt tussen 25°C en uitschakeling.De capaciteit van bijna nul bij 70°C duidt op volledige uitschakeling.(A), (B) en (C) zijn overgenomen met toestemming van Springer Nature.(D) Schematische weergave van op microbolletjes gebaseerd shutdown-concept voor LIB's.Elektroden zijn gefunctionaliseerd met thermoresponsieve microsferen die, boven een kritische interne batterijtemperatuur, een thermische overgang (smelten) ondergaan.De gesmolten capsules bekleden het elektrode-oppervlak, vormen een ionisch isolerende barrière en sluiten de batterijcel af.(E) Een dun en op zichzelf staand anorganisch composietmembraan bestaande uit 94% aluminiumoxidedeeltjes en 6% styreen-butadieenrubber (SBR) bindmiddel werd bereid door een oplossingsgietmethode.Rechts: Foto's die de thermische stabiliteit van de anorganische composietscheider en de PE-scheider laten zien.De scheiders werden 40 min op 130°C gehouden.De PE kromp aanzienlijk van het gebied met het gestippelde vierkant.De composietscheider vertoonde echter geen duidelijke krimp.Overgenomen met toestemming van Elsevier.(F) Moleculaire structuur van sommige polymeren met een hoge smelttemperatuur als scheidingsmaterialen met een lage krimp bij hoge temperatuur.Bovenkant: polyimide (PI).Midden: cellulose.Bodem: poly(butyleen)tereftalaat.(G) Links: vergelijking van de DSC-spectra van de PI met de PE- en PP-scheider;de PI-scheider vertoont een uitstekende thermische stabiliteit bij het temperatuurbereik van 30° tot 275°C.Rechts: foto's van digitale camera's die de bevochtigbaarheid van een commerciële separator en de as-synthesized PI-separator vergelijken met een propyleencarbonaatelektrolyt.Gereproduceerd met toestemming van de American Chemical Society.
Thermische uitschakelscheiders.Een andere strategie om te voorkomen dat batterijen tijdens fase 2 thermisch weglopen, is om de geleidingsroute van Li-ionen door de separator af te sluiten.Scheiders zijn belangrijke componenten voor de veiligheid van LIB's, omdat ze direct elektrisch contact tussen de hoogenergetische kathode- en anodematerialen voorkomen en tegelijkertijd ionisch transport mogelijk maken.PP en PE zijn de meest gebruikte materialen, maar ze hebben een slechte thermische stabiliteit, met smeltpunten van respectievelijk ~165 ° en ~135 °C.Voor commerciële LIB zijn reeds separatoren met een PP/PE/PP drielaagse structuur gecommercialiseerd, waarbij PE een beschermende tussenlaag is.Wanneer de interne temperatuur van de batterij boven een kritische temperatuur (~130°C) stijgt, smelt de poreuze PE-laag gedeeltelijk, waardoor de filmporiën worden gesloten en migratie van ionen in de vloeibare elektrolyt wordt voorkomen, terwijl de PP-laag mechanische ondersteuning biedt om interne kortsluiting.Als alternatief kan thermisch geïnduceerde uitschakeling van LIB ook worden bereikt door thermoresponsieve PE- of paraffinewasmicrosferen te gebruiken als de beschermende laag van de batterijanoden of -scheiders.Wanneer de interne batterijtemperatuur een kritische waarde bereikt, smelten de microsferen en bedekken de anode/separator met een niet-permeabele barrière, waardoor het Li-iontransport wordt gestopt en de cel permanent wordt uitgeschakeld (Afb. 5D).
Afscheiders met hoge thermische stabiliteit.Om de thermische stabiliteit van batterijscheiders te verbeteren, zijn de afgelopen jaren twee benaderingen ontwikkeld:
(1) Met keramiek versterkte separatoren, vervaardigd door directe coating of aangroei op het oppervlak van keramische lagen zoals SiO2 en Al2O3 op bestaande polyolefineseparatoroppervlakken of door keramische poeders ingebed in de polymere materialen (Afb. 5E), vertonen zeer hoge smeltpunten en hoge mechanische sterkte en hebben ook een relatief hoge thermische geleidbaarheid.Sommige composietscheiders die via deze strategie zijn vervaardigd, zijn op de markt gebracht, zoals Separion (een handelsnaam).
(2) Het veranderen van de separatormaterialen van polyolefine naar polymeren met een hoge smelttemperatuur met lage krimp bij verwarming, zoals polyimide, cellulose, poly(butyleen)tereftalaat en andere analoge poly(esters), is een andere effectieve strategie voor het verbeteren van de thermische stabiliteit van scheidingstekens (Afb. 5F).Polyimide is bijvoorbeeld een thermohardend polymeer dat algemeen wordt beschouwd als een veelbelovend alternatief vanwege zijn uitstekende thermische stabiliteit (stabiel boven 400 ° C), goede chemische weerstand, hoge treksterkte, goede elektrolytbevochtigbaarheid en vlamvertraging (Afb. 5G) .
Batterijpakketten met koelfunctie.Systemen voor thermisch beheer op apparaatschaal, mogelijk gemaakt door circulatie van lucht of vloeistofkoeling, zijn gebruikt om de batterijprestaties te verbeteren en temperatuurstijgingen te vertragen.Bovendien zijn faseovergangsmaterialen zoals paraffinewas geïntegreerd in batterijpakketten om als koellichaam te dienen om hun temperatuur te regelen, waardoor temperatuurmisbruik wordt voorkomen.
Om de problemen in fase 3 (verbranding en explosie) op te lossen
Warmte, zuurstof en brandstof, ook wel de 'vuurdriehoek' genoemd, zijn de noodzakelijke ingrediënten voor de meeste branden.Met de ophoping van warmte en zuurstof die tijdens de fasen 1 en 2 wordt gegenereerd, begint de brandstof (dat wil zeggen, licht ontvlambare elektrolyten) automatisch te verbranden.Het verminderen van de ontvlambaarheid van de elektrolytoplosmiddelen is van vitaal belang voor de veiligheid van batterijen en verdere grootschalige toepassingen van LIB's.
Vlamvertragende toevoegingen.Er zijn enorme onderzoeksinspanningen gedaan naar de ontwikkeling van vlamvertragende additieven om de ontvlambaarheid van vloeibare elektrolyten te verminderen.De meeste vlamvertragende additieven die in vloeibare elektrolyten worden gebruikt, zijn gebaseerd op organische fosforverbindingen of organische gehalogeneerde verbindingen.Aangezien halogenen gevaarlijk zijn voor het milieu en de menselijke gezondheid, zijn de organische fosforverbindingen meer veelbelovende kandidaten als vlamvertragende additieven vanwege hun hoge vlamvertragende vermogen en milieuvriendelijkheid.Typische organische fosforverbindingen zijn trimethylfosfaat, trifenylfosfaat, bis(2-methoxyethoxy)methylallylfosfonaat, tris(2,2,2-trifluorethyl)fosfiet, (ethoxy)pentafluorcyclotrifosfazeen, ethyleenethylfosfaat, enz. (Afb. 6A).Algemeen wordt aangenomen dat het mechanisme voor de vlamvertragende effecten van deze fosforbevattende verbindingen een chemisch radicaalwegvangend proces is.Tijdens verbranding kunnen de fosforbevattende moleculen ontleden tot fosforbevattende vrije radicalen, die vervolgens de radicalen kunnen beëindigen (bijvoorbeeld H- en OH-radicalen) die worden gegenereerd tijdens de voortplanting van de kettingreactie die verantwoordelijk zijn voor continue verbranding (Afb. 6, B en C).Helaas gaat de vermindering van de ontvlambaarheid door de toevoeging van deze fosforhoudende vlamvertragers ten koste van de elektrochemische prestatie.Om deze wisselwerking te verbeteren, hebben andere onderzoekers enkele wijzigingen aangebracht in hun moleculaire structuur: (i) gedeeltelijke fluorering van de alkylfosfaten kan hun reductieve stabiliteit en hun vlamvertragingseffectiviteit verbeteren;(ii) het gebruik van verbindingen met zowel beschermende filmvormende als vlamvertragende eigenschappen, zoals bis(2-methoxyethoxy)methylallylfosfonaat, waarbij de allylische groepen kunnen polymeriseren en een stabiele SEI-film op grafietoppervlakken kunnen vormen, waardoor gevaarlijke bijwerkingen effectief worden voorkomen reacties;(iii) verandering van P(V)-fosfaat in P(III)-fosfieten, die de vorming van SEI vergemakkelijken en in staat zijn om gevaarlijk PF5 te deactiveren [bijvoorbeeld tris(2,2,2-trifluorethyl)fosfiet];en (iv) het vervangen van organofosforadditieven door cyclische fosfazenen, in het bijzonder gefluoreerd cyclofosfazeen, die een verbeterde elektrochemische compatibiliteit hebben.
Fig. 6 Strategieën om de problemen in fase 3 op te lossen.
(A) Typische moleculaire structuren van vlamvertragende additieven.(B) Algemeen wordt aangenomen dat het mechanisme voor de vlamvertragende effecten van deze fosforbevattende verbindingen een chemisch radicaalwegvangend proces is, dat de radicale kettingreacties die verantwoordelijk zijn voor de verbrandingsreactie in de gasfase kan beëindigen.TPP, trifenylfosfaat.(C) De zelfdovende tijd (SET) van de typische carbonaatelektrolyt kan aanzienlijk worden verminderd door toevoeging van trifenylfosfaat.(D) Schema van de "slimme" electrospun-scheider met thermisch geactiveerde vlamvertragende eigenschappen voor LIB's.De vrijstaande separator is samengesteld uit microvezels met een kern-schaalstructuur, waarbij de vlamvertrager de kern is en het polymeer de schaal.Bij thermische activering smelt de polymeermantel en vervolgens komt de ingekapselde vlamvertrager vrij in de elektrolyt, waardoor de ontsteking en verbranding van de elektrolyten effectief wordt onderdrukt.(E) SEM-afbeelding van de TPP@PVDF-HFP-microvezels na het etsen toont duidelijk hun kern-schaalstructuur.Schaalbalk, 5 m.(F) Typische moleculaire structuren van ionische vloeistof op kamertemperatuur die wordt gebruikt als onbrandbare elektrolyten voor LIB's.(G) De moleculaire structuur van PFPE, een onbrandbare geperfluoreerde PEO-analoog.Twee methylcarbonaatgroepen zijn gemodificeerd op de uiteinden van polymeerketens om de compatibiliteit van de moleculen met de huidige batterijsystemen te garanderen.
Opgemerkt moet worden dat er altijd een afweging is tussen de verminderde ontvlambaarheid van de elektrolyt en celprestaties voor de vermelde additieven, hoewel dit compromis is verbeterd door de bovenstaande moleculaire ontwerpen.Een andere voorgestelde strategie om dit probleem op te lossen, omvat het opnemen van de vlamvertrager in de beschermende polymeeromhulling van microvezels, die verder worden gestapeld om een niet-geweven separator te vormen (Afb. 6D) .Een nieuwe elektrospun nonwoven microvezelscheider met thermisch getriggerde vlamvertragende eigenschappen werd gefabriceerd voor LIB's.De inkapseling van de vlamvertrager in de beschermende polymeeromhulling voorkomt directe blootstelling van de vlamvertrager aan de elektrolyt, waardoor negatieve effecten van de vertragers op de elektrochemische prestaties van de batterij worden voorkomen (Afb. 6E).Als er echter een thermische runaway van de LIB-batterij optreedt, zal het omhulsel van poly(vinylideenfluoride-hexafluorpropyleen) copolymeer (PVDF-HFP) smelten naarmate de temperatuur stijgt.Dan komt de ingekapselde vlamvertrager van trifenylfosfaat vrij in de elektrolyt, waardoor de verbranding van de licht ontvlambare elektrolyten effectief wordt onderdrukt.
Om dit dilemma op te lossen, werd ook een "zoutgeconcentreerd elektrolyt"-concept ontwikkeld.Deze branddovende organische elektrolyten voor oplaadbare batterijen bevatten LiN(SO2F)2 als het zout en een populaire vlamvertrager van trimethylfosfaat (TMP) als het enige oplosmiddel.De spontane vorming van een robuuste, van zout afgeleide anorganische SEI op de anode is cruciaal voor stabiele elektrochemische prestaties.Deze nieuwe strategie kan worden uitgebreid tot verschillende andere vlamvertragers en kan een nieuwe weg openen voor de ontwikkeling van nieuwe vlamvertragende oplosmiddelen voor veiligere LIB's.
Niet-ontvlambare vloeibare elektrolyten.Een ultieme oplossing voor de veiligheidsproblemen van de elektrolyt zou zijn om intrinsiek onbrandbare elektrolyten te ontwikkelen.Een groep niet-ontvlambare elektrolyten die uitgebreid is onderzocht, zijn ionische vloeistoffen, met name ionische vloeistoffen op kamertemperatuur, die niet-vluchtig zijn (geen waarneembare dampdruk onder 200°C) en niet-ontvlambaar en een breed temperatuurvenster hebben (Afb. 6F) .Er is echter nog steeds continu onderzoek nodig om de problemen op te lossen van het vermogen met lage snelheid als gevolg van hun hoge viscositeit, laag Li-overdrachtsgetal, kathodische of reductieve instabiliteit en de hoge kosten van ionische vloeistoffen.
Hydrofluorethers met een laag molecuulgewicht zijn een andere klasse van onbrandbare vloeibare elektrolyten vanwege hun hoge of geen vlampunt, niet-ontvlambaarheid, lage oppervlaktespanning, lage viscositeit, lage vriestemperatuur, enz. .Er moet een goed moleculair ontwerp worden gemaakt om hun chemische eigenschappen aan te passen aan de criteria van batterij-elektrolyten.Een interessant voorbeeld dat recentelijk is gerapporteerd, is perfluorpolyether (PFPE), een analoog van geperfluoreerd polyethyleenoxide (PEO) dat bekend staat om zijn niet-ontvlambaarheid (Afb. 6G) .Twee methylcarbonaatgroepen zijn gemodificeerd op de eindgroepen van PFPE-ketens (PFPE-DMC) om de compatibiliteit van de moleculen met de huidige batterijsystemen te garanderen.De niet-ontvlambaarheid en thermische stabiliteit van PFPE's kunnen dus de veiligheid van LIB's aanzienlijk verbeteren, terwijl het aantal elektrolytoverdrachten wordt verhoogd vanwege het unieke ontwerp van de moleculaire structuur.
Fase 3 is de laatste maar vooral cruciale fase voor het thermische op hol geslagen proces.Opgemerkt moet worden dat hoewel er grote inspanningen zijn geleverd om de ontvlambaarheid van de ultramoderne vloeibare elektrolyt te verminderen, het gebruik van niet-vluchtige elektrolyten in vaste toestand veelbelovend is.Vaste elektrolyten vallen hoofdzakelijk in twee categorieën: anorganische keramische elektrolyten [sulfiden, oxiden, nitriden, fosfaten, enz.] en vaste polymeerelektrolyten [mengsels van Li-zouten met polymeren, zoals poly(ethyleenoxide), polyacrylonitril, enz.] .Inspanningen om vaste elektrolyten te verbeteren worden hier niet gedetailleerd, omdat dit onderwerp al goed is samengevat in verschillende recente beoordelingen.
VOORUITZICHTEN
In het verleden zijn er veel nieuwe materialen ontwikkeld om de veiligheid van batterijen te verbeteren, hoewel het probleem nog niet helemaal is opgelost.Bovendien variëren de mechanismen die ten grondslag liggen aan veiligheidsproblemen voor elke verschillende batterijchemie.Er moeten dus specifieke materialen worden ontworpen die op maat zijn gemaakt voor verschillende batterijen.Wij zijn van mening dat efficiëntere methoden en goed ontworpen materialen nog ontdekt moeten worden.Hier sommen we verschillende mogelijke richtingen op voor toekomstig onderzoek naar batterijveiligheid.
Ten eerste is het belangrijk om in situ of in operando methoden te ontwikkelen om de interne gezondheidstoestand van LIB's te detecteren en te bewaken.Het thermische runaway-proces hangt bijvoorbeeld nauw samen met de interne temperatuur- of drukstijging binnen LIB's.De temperatuurverdeling in batterijen is echter nogal complex en er zijn methoden nodig om de waarden voor elektrolyten en elektroden, evenals voor afscheiders nauwkeurig te bewaken.Het is dus van cruciaal belang om deze parameters voor verschillende componenten te kunnen meten voor het diagnosticeren en dus het voorkomen van veiligheidsrisico's voor de batterij.
De thermische stabiliteit van separatoren is cruciaal voor de veiligheid van batterijen.De nieuw ontwikkelde polymeren met hoge smeltpunten zijn effectief in het verhogen van de thermische integriteit van de separator.Hun mechanische eigenschappen zijn echter nog steeds inferieur, waardoor hun verwerkbaarheid tijdens de montage van de batterij aanzienlijk wordt verminderd.Bovendien is de prijs ook een belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden voor praktische toepassingen.
De ontwikkeling van vaste elektrolyten lijkt de ultieme oplossing voor de veiligheidsproblemen van LIB's.De vaste elektrolyt zal de kans op interne kortsluiting van de batterij aanzienlijk verminderen, samen met het risico op brand en explosies.Hoewel er grote inspanningen zijn geleverd om vaste elektrolyten te verbeteren, blijven hun prestaties ver achter bij die van vloeibare elektrolyten.Composieten van anorganische en polymere elektrolyten hebben een groot potentieel, maar ze vereisen een delicaat ontwerp en voorbereiding.We benadrukken dat een goed ontwerp van de anorganische-polymeerinterfaces en de engineering van hun uitlijning cruciaal zijn voor efficiënt Li-iontransport.
Opgemerkt moet worden dat de vloeibare elektrolyt niet de enige batterijcomponent is die brandbaar is.Wanneer LIB's bijvoorbeeld sterk geladen zijn, vormen de brandbare gelithieerde anodematerialen (bijvoorbeeld gelithieerd grafiet) ook een groot veiligheidsrisico.Er is veel vraag naar vlamvertragers die branden van vaste stoffen efficiënt kunnen vertragen om hun veiligheid te vergroten.De vlamvertragers kunnen met het grafiet worden gemengd in de vorm van polymeerbindmiddelen of geleidende raamwerken.
Batterijveiligheid is een nogal complex en geavanceerd probleem.De toekomst van batterijveiligheid vereist meer inspanningen in fundamentele mechanistische studies voor een dieper begrip, naast meer geavanceerde karakteriseringsmethoden, die meer informatie kunnen bieden om materiaalontwerp te begeleiden.Hoewel deze Review zich richt op veiligheid op materiaalniveau, moet worden opgemerkt dat er verder een holistische benadering nodig is om het veiligheidsprobleem van LIB's op te lossen, waarbij materialen, celcomponenten en -formaat, en batterijmodule en -packs een gelijkwaardige rol spelen om batterijen betrouwbaar te maken voordat ze ze worden op de markt gebracht.
REFERENTIES EN OPMERKINGEN
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, Materialen voor de veiligheid van lithium-ionbatterijen, ScienceAdvances, DOI: 10.1126/sciadv.aas9820
Posttijd: jun-05-2021
