నైరూప్య
లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు (LIBలు) అత్యంత ముఖ్యమైన శక్తి నిల్వ సాంకేతికతలలో ఒకటిగా పరిగణించబడతాయి.బ్యాటరీల శక్తి సాంద్రత పెరిగేకొద్దీ, అనుకోకుండా శక్తిని విడుదల చేస్తే బ్యాటరీ భద్రత మరింత క్లిష్టమైనది.LIBల మంటలు మరియు పేలుళ్లకు సంబంధించిన ప్రమాదాలు ప్రపంచవ్యాప్తంగా తరచుగా జరుగుతాయి.కొన్ని మానవ జీవితానికి మరియు ఆరోగ్యానికి తీవ్రమైన ముప్పును కలిగించాయి మరియు తయారీదారులచే అనేక ఉత్పత్తిని రీకాల్ చేయడానికి దారితీశాయి.ఈ సంఘటనలు బ్యాటరీలకు భద్రత తప్పనిసరి అని రిమైండర్‌లు మరియు భవిష్యత్తులో అధిక-శక్తి బ్యాటరీ సిస్టమ్‌ల అప్లికేషన్‌కు ముందు తీవ్రమైన సమస్యలను పరిష్కరించాల్సిన అవసరం ఉంది.ఈ సమీక్ష LIB భద్రతా సమస్యల మూలాల యొక్క ప్రాథమికాలను సంగ్రహించడం మరియు LIB భద్రతను మెరుగుపరచడానికి మెటీరియల్స్ రూపకల్పనలో ఇటీవలి కీలక పురోగతిని హైలైట్ చేయడం లక్ష్యంగా పెట్టుకుంది.ఈ సమీక్ష బ్యాటరీ భద్రతలో మరింత మెరుగుదలకు ప్రేరణనిస్తుందని మేము అంచనా వేస్తున్నాము, ప్రత్యేకించి అధిక శక్తి సాంద్రత కలిగిన అభివృద్ధి చెందుతున్న LIBల కోసం.
LIB భద్రతా సమస్యల మూలాలు
LIBల లోపల ఉండే ఆర్గానిక్ లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ అంతర్గతంగా మండుతుంది.LIB వ్యవస్థ యొక్క అత్యంత విపత్కర వైఫల్యాలలో ఒకటి క్యాస్కేడింగ్ థర్మల్ రన్అవే ఈవెంట్, ఇది బ్యాటరీ భద్రత సమస్యలకు ప్రధాన కారణంగా పరిగణించబడుతుంది.సాధారణంగా, ఒక ఎక్సోథర్మిక్ ప్రతిచర్య నియంత్రణ లేకుండా పోయినప్పుడు థర్మల్ రన్అవే సంభవిస్తుంది.బ్యాటరీ యొక్క ఉష్ణోగ్రత ~80°C కంటే ఎక్కువగా పెరగడంతో, బ్యాటరీల లోపల ఎక్సోథర్మిక్ కెమికల్ రియాక్షన్ రేటు పెరుగుతుంది మరియు సెల్‌ను మరింత వేడి చేస్తుంది, ఫలితంగా సానుకూల స్పందన చక్రం ఏర్పడుతుంది.నిరంతరం పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతలు మంటలు మరియు పేలుళ్లకు దారితీయవచ్చు, ముఖ్యంగా పెద్ద బ్యాటరీ ప్యాక్‌లకు.అందువల్ల, థర్మల్ రన్అవే యొక్క కారణాలు మరియు ప్రక్రియలను అర్థం చేసుకోవడం LIBల భద్రత మరియు విశ్వసనీయతను మెరుగుపరచడానికి ఫంక్షనల్ మెటీరియల్స్ రూపకల్పనకు మార్గనిర్దేశం చేస్తుంది.థర్మల్ రన్అవే ప్రక్రియను సంగ్రహంగా మూడు దశలుగా విభజించవచ్చుచిత్రం 1.
అంజీర్ 1 థర్మల్ రన్అవే ప్రక్రియ కోసం మూడు దశలు.
దశ 1: వేడెక్కడం ప్రారంభం.బ్యాటరీలు సాధారణ స్థితి నుండి అసాధారణ స్థితికి మారుతాయి మరియు అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత పెరగడం ప్రారంభమవుతుంది.దశ 2: వేడి చేరడం మరియు వాయువు విడుదల ప్రక్రియ.అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత త్వరగా పెరుగుతుంది మరియు బ్యాటరీ ఎక్సోథర్మల్ ప్రతిచర్యలకు లోనవుతుంది.దశ 3: దహనం మరియు పేలుడు.మండే ఎలక్ట్రోలైట్ మండుతుంది, మంటలు మరియు పేలుళ్లకు కూడా దారి తీస్తుంది.
వేడెక్కడం ప్రారంభం (దశ 1)
బ్యాటరీ వ్యవస్థ యొక్క వేడెక్కడం నుండి థర్మల్ రన్అవే ప్రారంభమవుతుంది.డిజైన్ చేయబడిన వోల్టేజ్ (ఓవర్‌చార్జింగ్), అధిక ఉష్ణోగ్రతలకు గురికావడం, వైరింగ్ తప్పుగా ఉన్న కారణంగా బాహ్య షార్ట్ సర్క్యూట్‌లు లేదా సెల్ లోపాల కారణంగా అంతర్గత షార్ట్ సర్క్యూట్‌ల కారణంగా బ్యాటరీని ఛార్జ్ చేయడం వల్ల ప్రారంభ వేడెక్కడం సంభవించవచ్చు.వాటిలో, అంతర్గత షార్టింగ్ అనేది థర్మల్ రన్అవేకి ప్రధాన కారణం మరియు నియంత్రించడం చాలా కష్టం.బాహ్య లోహ శిధిలాలు చొచ్చుకుపోవడం వంటి సెల్ క్రష్ పరిస్థితులలో అంతర్గత షార్ట్టింగ్ జరగవచ్చు;వాహనం తాకిడి;అధిక కరెంట్ డెన్సిటీ ఛార్జింగ్‌లో, ఓవర్‌చార్జింగ్ పరిస్థితుల్లో లేదా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద లిథియం డెండ్రైట్ ఏర్పడటం;మరియు బ్యాటరీ అసెంబ్లింగ్ సమయంలో సృష్టించబడిన లోపభూయిష్ట సెపరేటర్లు, కొన్నింటిని పేర్కొనవచ్చు.ఉదాహరణకు, అక్టోబర్ 2013 ప్రారంభంలో, సీటెల్ సమీపంలో ఒక టెస్లా కారు షీల్డ్ మరియు బ్యాటరీ ప్యాక్‌ను కుట్టిన మెటల్ శిధిలాలను తాకింది.శిధిలాలు పాలిమర్ సెపరేటర్‌లలోకి చొచ్చుకొనిపోయి నేరుగా కాథోడ్ మరియు యానోడ్‌లను అనుసంధానించాయి, దీని వలన బ్యాటరీ షార్ట్-సర్క్యూట్ మరియు మంటలు వ్యాపించాయి;2016లో, శామ్‌సంగ్ నోట్ 7 బ్యాటరీ మంటలు బయటి పీడనం లేదా పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్‌లోని వెల్డింగ్ బర్ర్‌ల వల్ల సులభంగా దెబ్బతిన్న అల్ట్రాథిన్ సెపరేటర్ కారణంగా బ్యాటరీ షార్ట్-సర్క్యూట్‌కు దారితీసింది.
దశ 1లో, బ్యాటరీ ఆపరేషన్ సాధారణ స్థితి నుండి అసాధారణ స్థితికి మారుతుంది మరియు పైన పేర్కొన్న అన్ని సమస్యలు బ్యాటరీ వేడెక్కడానికి కారణమవుతాయి.అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత పెరగడం ప్రారంభించినప్పుడు, దశ 1 ముగుస్తుంది మరియు దశ 2 ప్రారంభమవుతుంది.
వేడి చేరడం మరియు వాయువు విడుదల ప్రక్రియ (దశ 2)
దశ 2 ప్రారంభమైనప్పుడు, అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత త్వరగా పెరుగుతుంది మరియు బ్యాటరీ క్రింది ప్రతిచర్యలకు లోనవుతుంది (ఈ ప్రతిచర్యలు ఖచ్చితమైన క్రమంలో జరగవు; వాటిలో కొన్ని ఏకకాలంలో సంభవించవచ్చు):
(1) వేడెక్కడం లేదా భౌతిక వ్యాప్తి కారణంగా ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ ఇంటర్‌ఫేస్ (SEI) కుళ్ళిపోవడం.SEI పొర ప్రధానంగా స్థిరమైన (Life మరియు Li2CO3 వంటివి) మరియు మెటాస్టేబుల్ [పాలీమర్‌లు, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 మరియు ROLi] భాగాలను కలిగి ఉంటుంది.అయినప్పటికీ, మెటాస్టేబుల్ భాగాలు దాదాపు >90°C వద్ద ఎక్సోథర్మిక్‌గా కుళ్ళిపోతాయి, మండే వాయువులు మరియు ఆక్సిజన్‌ను విడుదల చేస్తాయి.(CH2OCO2Li)2ని ఉదాహరణగా తీసుకోండి
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) SEI యొక్క కుళ్ళిపోవడంతో, ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది మరియు యానోడ్‌లోని లిథియం మెటల్ లేదా ఇంటర్‌కలేటెడ్ లిథియం ఎలక్ట్రోలైట్‌లోని సేంద్రీయ ద్రావకాలతో చర్య జరిపి, మండే హైడ్రోకార్బన్ వాయువులను (ఈథేన్, మీథేన్ మరియు ఇతరాలు) విడుదల చేస్తుంది.ఇది ఎక్సోథర్మిక్ రియాక్షన్, ఇది ఉష్ణోగ్రతను మరింత పైకి నడిపిస్తుంది.
(3) ఎప్పుడుT> ~130°C, పాలిథిలిన్ (PE)/పాలీప్రొఫైలిన్ (PP) విభాజకం కరగడం మొదలవుతుంది, ఇది పరిస్థితిని మరింత దిగజార్చుతుంది మరియు కాథోడ్ మరియు యానోడ్ మధ్య షార్ట్ సర్క్యూట్ ఏర్పడుతుంది.
(4) చివరికి, వేడి లిథియం మెటల్ ఆక్సైడ్ కాథోడ్ పదార్థం యొక్క కుళ్ళిపోవడానికి కారణమవుతుంది మరియు ఆక్సిజన్ విడుదలకు దారితీస్తుంది.LiCoO2ని ఉదాహరణగా తీసుకోండి, ఇది క్రింది విధంగా ~180°C నుండి కుళ్ళిపోతుంది
కాథోడ్ యొక్క విచ్ఛిన్నం కూడా చాలా ఎక్సోథర్మిక్, ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనాన్ని మరింత పెంచుతుంది మరియు ఫలితంగా, ప్రతిచర్యలను మరింత వేగవంతం చేస్తుంది.
దశ 2లో, ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది మరియు బ్యాటరీల లోపల ఆక్సిజన్ పేరుకుపోతుంది.బ్యాటరీ దహనం కోసం తగినంత ఆక్సిజన్ మరియు వేడిని సేకరించిన వెంటనే థర్మల్ రన్అవే ప్రక్రియ దశ 2 నుండి దశ 3 వరకు కొనసాగుతుంది.
దహనం మరియు పేలుడు (దశ 3)
దశ 3 వద్ద, దహనం ప్రారంభమవుతుంది.LIBల ఎలక్ట్రోలైట్లు సేంద్రీయంగా ఉంటాయి, ఇవి దాదాపుగా చక్రీయ మరియు సరళ ఆల్కైల్ కార్బోనేట్‌ల కలయికలు.అవి అధిక అస్థిరతను కలిగి ఉంటాయి మరియు అంతర్గతంగా చాలా మండేవి.ప్రముఖంగా ఉపయోగించే కార్బొనేట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌ని తీసుకుంటే [ఇథిలీన్ కార్బోనేట్ (EC) + డైమిథైల్ కార్బోనేట్ (DMC) (బరువు ద్వారా 1:1)] మిశ్రమం, ఇది గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద 4.8 kPa ఆవిరి పీడనాన్ని మరియు చాలా తక్కువ ఫ్లాష్ పాయింట్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది. 1.013 బార్ యొక్క వాయు పీడనం వద్ద 25° ± 1°C.దశ 2లో విడుదలైన ఆక్సిజన్ మరియు వేడి మండే సేంద్రీయ ఎలక్ట్రోలైట్ల దహనానికి అవసరమైన పరిస్థితులను అందిస్తాయి, తద్వారా అగ్ని లేదా పేలుడు ప్రమాదాలు ఏర్పడతాయి.
2 మరియు 3 దశలలో, ఎక్సోథర్మిక్ ప్రతిచర్యలు సమీప-అడయాబాటిక్ పరిస్థితులలో జరుగుతాయి.అందువల్ల, యాక్సిలరేటెడ్ రేట్ క్యాలరీమెట్రీ (ARC) అనేది LIBల లోపల పర్యావరణాన్ని అనుకరించే విస్తృతంగా ఉపయోగించే సాంకేతికత, ఇది థర్మల్ రన్అవే రియాక్షన్ కైనటిక్స్‌పై మన అవగాహనను సులభతరం చేస్తుంది.చిత్రం 2థర్మల్ దుర్వినియోగ పరీక్షల సమయంలో నమోదు చేయబడిన LIB యొక్క సాధారణ ARC వక్రరేఖను చూపుతుంది.దశ 2లో ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలను అనుకరించడం, వేడి యొక్క బాహ్య మూలం బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రతను ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రతకు పెంచుతుంది.ఈ ఉష్ణోగ్రత పైన, SEI కుళ్ళిపోతుంది, ఇది మరింత ఎక్సోథర్మిక్ రసాయన ప్రతిచర్యలను ప్రేరేపిస్తుంది.చివరికి, సెపరేటర్ కరిగిపోతుంది.స్వీయ-తాపన రేటు తర్వాత పెరుగుతుంది, ఇది థర్మల్ రన్అవేకి దారితీస్తుంది (స్వీయ-తాపన రేటు >10°C/నిమిషానికి ఉన్నప్పుడు) మరియు ఎలక్ట్రోలైట్ దహన (దశ 3).
యానోడ్ మెసోకార్బన్ మైక్రోబీడ్ గ్రాఫైట్.కాథోడ్ LiNi0.8Co0.05Al0.05O2.EC/PC/DMCలో ఎలక్ట్రోలైట్ 1.2 M LiPF6.సెల్గార్డ్ 2325 ట్రైలేయర్ సెపరేటర్ ఉపయోగించబడింది.ఎలక్ట్రోకెమికల్ సొసైటీ ఇంక్ నుండి అనుమతితో స్వీకరించబడింది.
పైన వివరించిన ప్రతిచర్యలు ఇచ్చిన క్రమంలో ఒకదాని తర్వాత ఒకటి ఖచ్చితంగా జరగవని గమనించాలి.అవి సంక్లిష్టమైన మరియు క్రమబద్ధమైన సమస్యలు.
మెరుగైన బ్యాటరీ భద్రతతో కూడిన మెటీరియల్స్
బ్యాటరీ థర్మల్ రన్అవే యొక్క అవగాహన ఆధారంగా, బ్యాటరీ భాగాల యొక్క హేతుబద్ధమైన డిజైన్ ద్వారా భద్రతా ప్రమాదాలను తగ్గించే లక్ష్యంతో అనేక విధానాలు అధ్యయనం చేయబడుతున్నాయి.తదుపరి విభాగాలలో, మేము బ్యాటరీ భద్రతను మెరుగుపరచడానికి, వివిధ థర్మల్ రన్అవే దశలకు సంబంధించిన సమస్యలను పరిష్కరించడానికి వివిధ పదార్థాల విధానాలను సంగ్రహిస్తాము.
దశ 1లోని సమస్యలను పరిష్కరించడానికి (వేడెక్కడం ప్రారంభం)
విశ్వసనీయ యానోడ్ పదార్థాలు.LIB యొక్క యానోడ్‌పై లి డెండ్రైట్ నిర్మాణం థర్మల్ రన్అవే యొక్క మొదటి దశను ప్రారంభిస్తుంది.వాణిజ్య LIBల యానోడ్‌లలో (ఉదాహరణకు, కార్బోనేషియస్ యానోడ్‌లు) ఈ సమస్య తగ్గించబడినప్పటికీ, లి డెండ్రైట్ నిర్మాణం పూర్తిగా నిరోధించబడలేదు.ఉదాహరణకు, వాణిజ్య LIBలలో, యానోడ్‌లు మరియు కాథోడ్‌లు సరిగ్గా జత చేయకపోతే గ్రాఫైట్ ఎలక్ట్రోడ్ అంచుల వద్ద డెండ్రైట్ నిక్షేపణ ప్రాధాన్యతగా జరుగుతుంది.అదనంగా, LIBల యొక్క సరికాని ఆపరేషన్ పరిస్థితులు కూడా డెండ్రైట్ పెరుగుదలతో Li మెటల్ నిక్షేపణకు దారితీస్తాయి.బ్యాటరీని ఛార్జ్ చేస్తే డెండ్రైట్ సులభంగా ఏర్పడుతుందని అందరికీ తెలుసు (i) అధిక కరెంట్ సాంద్రత వద్ద Li మెటల్ నిక్షేపణ పెద్ద గ్రాఫైట్‌లోని Li అయాన్ల వ్యాప్తి కంటే వేగంగా ఉంటుంది;(ii) గ్రాఫైట్ ఓవర్‌లిథియేటెడ్ అయినప్పుడు ఓవర్‌చార్జింగ్ పరిస్థితులలో;మరియు (iii) తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద [ఉదాహరణకు, సబ్యాంబియంట్ ఉష్ణోగ్రత (~0°C)], ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క పెరిగిన స్నిగ్ధత మరియు పెరిగిన Li-ion వ్యాప్తి నిరోధకత కారణంగా.
మెటీరియల్ లక్షణాల దృక్కోణం నుండి, యానోడ్‌పై లి డెండ్రైట్ పెరుగుదల ప్రారంభాన్ని నిర్ణయించే మూల మూలం అస్థిర మరియు ఏకరీతి కాని SEI, ఇది అసమాన స్థానిక కరెంట్ పంపిణీకి కారణమవుతుంది .ఎలక్ట్రోలైట్ భాగాలు, ముఖ్యంగా సంకలితాలు, SEI ఏకరూపతను మెరుగుపరచడానికి మరియు లి డెండ్రైట్ ఏర్పడటాన్ని తొలగించడానికి పరిశోధించబడ్డాయి.సాధారణ సంకలితాలలో అకర్బన సమ్మేళనాలు [ఉదాహరణకు, CO2 , LiI , మొదలైనవి] మరియు వినైలీన్ కార్బోనేట్ మరియు మాలిమైడ్ సంకలనాలు వంటి అసంతృప్త కార్బన్ బంధాలను కలిగి ఉన్న కర్బన సమ్మేళనాలు ఉన్నాయి;బ్యూటిరోలాక్టోన్, ఇథిలీన్ సల్ఫైట్ మరియు వాటి ఉత్పన్నాలు వంటి అస్థిర చక్రీయ అణువులు;మరియు ఫ్లోరోఎథైలీన్ కార్బోనేట్ వంటి ఫ్లోరినేటెడ్ సమ్మేళనాలు, ఇతరులలో ఉన్నాయి.పార్ట్స్-పర్-మిలియన్ స్థాయిలో కూడా, ఈ అణువులు ఇప్పటికీ SEI స్వరూపాన్ని మెరుగుపరుస్తాయి, తద్వారా లి-అయాన్ ఫ్లక్స్‌ను సజాతీయంగా మారుస్తుంది మరియు లి డెండ్రైట్ ఏర్పడే అవకాశాన్ని తొలగిస్తుంది.
మొత్తంమీద, లి డెండ్రైట్ సవాళ్లు ఇప్పటికీ గ్రాఫైట్ లేదా కార్బోనేషియస్ యానోడ్‌లు మరియు తదుపరి తరం యానోడ్‌లను కలిగి ఉన్న సిలికాన్/SiOలో ఉన్నాయి.లి డెండ్రైట్ పెరుగుదల సమస్యను పరిష్కరించడం అనేది సమీప భవిష్యత్తులో అధిక-శక్తి సాంద్రత కలిగిన లి-అయాన్ కెమిస్ట్రీల అనుసరణకు కీలకమైన సవాలు.ఇటీవల, Li నిక్షేపణ సమయంలో Li-ion ఫ్లక్స్‌ను సజాతీయంగా మార్చడం ద్వారా స్వచ్ఛమైన Li మెటల్ యానోడ్‌లలో Li dendrite ఏర్పడే సమస్యను పరిష్కరించడానికి గణనీయమైన ప్రయత్నాలు జరుగుతున్నాయని గమనించాలి;ఉదాహరణకు, ప్రొటెక్టివ్ లేయర్ కోటింగ్ , ఆర్టిఫిషియల్ SEI ఇంజినీరింగ్ మొదలైనవి. ఈ అంశంలో, LIB లలోని కార్బోనేషియస్ యానోడ్‌లపై సమస్యను ఎలా పరిష్కరించాలో కొన్ని పద్ధతులు బహుశా వెలుగులోకి వస్తాయి.
మల్టీఫంక్షనల్ లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్స్ మరియు సెపరేటర్లు.అధిక-శక్తి కాథోడ్ మరియు యానోడ్‌లను భౌతికంగా వేరు చేయడంలో లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు సెపరేటర్ కీలక పాత్రలు పోషిస్తాయి.అందువలన, బాగా రూపొందించిన మల్టీఫంక్షనల్ ఎలక్ట్రోలైట్స్ మరియు సెపరేటర్లు బ్యాటరీ థర్మల్ రన్అవే (దశ 1) ప్రారంభ దశలో బ్యాటరీలను గణనీయంగా రక్షించగలవు.
మెకానికల్ క్రషింగ్ నుండి బ్యాటరీలను రక్షించడానికి, కార్బోనేట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌కి (EC/DMCలో 1 M LiFP6) ఫ్యూమ్డ్ సిలికాను సరళంగా చేర్చడం ద్వారా షీర్ గట్టిపడే ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ పొందబడింది.యాంత్రిక ఒత్తిడి లేదా ప్రభావంపై, ద్రవం స్నిగ్ధత పెరుగుదలతో కోత గట్టిపడే ప్రభావాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది, అందువల్ల ప్రభావ శక్తిని వెదజల్లుతుంది మరియు అణిచివేసేందుకు సహనాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది (అత్తి 3A)
Fig. 3 దశ 1లోని సమస్యలను పరిష్కరించడానికి వ్యూహాలు.
(A) షీర్ గట్టిపడే ఎలక్ట్రోలైట్.టాప్: సాధారణ ఎలక్ట్రోలైట్ కోసం, మెకానికల్ ప్రభావం బ్యాటరీ అంతర్గత షార్టింగ్‌కు దారి తీస్తుంది, మంటలు మరియు పేలుళ్లకు కారణమవుతుంది.దిగువ: ఒత్తిడి లేదా ప్రభావంలో కోత గట్టిపడటం ప్రభావంతో నవల స్మార్ట్ ఎలక్ట్రోలైట్ అణిచివేతకు అద్భుతమైన సహనాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది, ఇది బ్యాటరీల యాంత్రిక భద్రతను గణనీయంగా మెరుగుపరుస్తుంది.(బి) లిథియం డెండ్రైట్‌లను ముందస్తుగా గుర్తించడం కోసం బైఫంక్షనల్ సెపరేటర్లు.సాంప్రదాయ లిథియం బ్యాటరీలో డెండ్రైట్ ఏర్పడటం, అంతర్గత షార్ట్ సర్క్యూట్ కారణంగా బ్యాటరీ విఫలమైనప్పుడు మాత్రమే లిథియం డెండ్రైట్ ద్వారా సెపరేటర్ యొక్క పూర్తి వ్యాప్తి కనుగొనబడుతుంది.పోల్చి చూస్తే, బైఫంక్షనల్ సెపరేటర్‌తో కూడిన లిథియం బ్యాటరీ (రెండు సాంప్రదాయక సెపరేటర్ల మధ్య శాండ్విచ్ చేయబడిన కండక్టింగ్ లేయర్‌ను కలిగి ఉంటుంది), ఇక్కడ పెరిగిన లిథియం డెండ్రైట్ సెపరేటర్‌లోకి చొచ్చుకుపోతుంది మరియు వాహక రాగి పొరతో సంబంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది, ఫలితంగా తగ్గుతుందిVCu−Li, అంతర్గత షార్ట్ సర్క్యూట్ కారణంగా రాబోయే వైఫల్యం గురించి హెచ్చరికగా పనిచేస్తుంది.అయినప్పటికీ, పూర్తి బ్యాటరీ నాన్ జీరో పొటెన్షియల్‌తో సురక్షితంగా పనిచేస్తోంది.(A) మరియు (B) స్ప్రింగర్ నేచర్ నుండి అనుమతితో స్వీకరించబడ్డాయి లేదా పునరుత్పత్తి చేయబడ్డాయి.(సి) ప్రమాదకర లి డెండ్రైట్‌లను వినియోగించడానికి మరియు బ్యాటరీ జీవితాన్ని పొడిగించడానికి ట్రైలేయర్ సెపరేటర్.ఎడమవైపు: లిథియం యానోడ్‌లు సులభంగా డెన్డ్రిటిక్ నిక్షేపాలను ఏర్పరుస్తాయి, ఇవి క్రమంగా పెద్దవిగా పెరుగుతాయి మరియు జడ పాలిమర్ సెపరేటర్‌లోకి చొచ్చుకుపోతాయి.డెండ్రైట్‌లు చివరకు కాథోడ్ మరియు యానోడ్‌ను కనెక్ట్ చేసినప్పుడు, బ్యాటరీ షార్ట్ సర్క్యూట్ అయి విఫలమవుతుంది.కుడి: సిలికా నానోపార్టికల్స్ యొక్క పొర రెండు పొరల కమర్షియల్ పాలిమర్ సెపరేటర్ల ద్వారా శాండ్విచ్ చేయబడింది.అందువల్ల, లిథియం డెండ్రైట్‌లు వృద్ధి చెంది, సెపరేటర్‌లోకి చొచ్చుకుపోయినప్పుడు, అవి శాండ్విచ్ పొరలోని సిలికా నానోపార్టికల్‌లను సంప్రదిస్తాయి మరియు ఎలక్ట్రోకెమికల్‌గా వినియోగించబడతాయి.(D) సిలికా నానోపార్టికల్ శాండ్‌విచ్డ్ సెపరేటర్ యొక్క స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) చిత్రం.(E) సాంప్రదాయిక సెపరేటర్ (రెడ్ కర్వ్) మరియు సిలికా నానోపార్టికల్ శాండ్‌విచ్డ్ ట్రైలేయర్ సెపరేటర్ (బ్లాక్ కర్వ్)తో Li/Li బ్యాటరీ యొక్క సాధారణ వోల్టేజ్ వర్సెస్ టైమ్ ప్రొఫైల్‌ను అదే పరిస్థితులలో పరీక్షించారు.(C), (D), మరియు (E) జాన్ విలీ అండ్ సన్స్ అనుమతితో పునరుత్పత్తి చేయబడ్డాయి.(F) రెడాక్స్ షటిల్ సంకలితాల యొక్క మెకానిజమ్స్ యొక్క స్కీమాటిక్ ఇలస్ట్రేషన్.అధిక ఛార్జ్ చేయబడిన కాథోడ్ ఉపరితలంపై, రెడాక్స్ సంకలితం [O] రూపానికి ఆక్సీకరణం చెందుతుంది, ఇది ఎలక్ట్రోలైట్ ద్వారా వ్యాప్తి చెందడం ద్వారా యానోడ్ ఉపరితలంపై దాని అసలు స్థితికి [R] తగ్గించబడుతుంది.ఆక్సిడేషన్-డిఫ్యూజన్-రిడక్షన్-డిఫ్యూజన్ యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమికల్ సైకిల్ నిరవధికంగా నిర్వహించబడుతుంది మరియు అందువల్ల ప్రమాదకర ఓవర్‌చార్జింగ్ నుండి కాథోడ్ సంభావ్యతను లాక్ చేస్తుంది.(G) రెడాక్స్ షటిల్ సంకలితాల యొక్క సాధారణ రసాయన నిర్మాణాలు.(H) షట్డౌన్ ఓవర్‌ఛార్జ్ సంకలితాల మెకానిజం, ఇది అధిక పొటెన్షియల్‌ల వద్ద ఎలక్ట్రోకెమికల్‌గా పాలిమరైజ్ చేయగలదు.(I) షట్డౌన్ ఓవర్‌ఛార్జ్ సంకలితాల యొక్క సాధారణ రసాయన నిర్మాణాలు.సంకలితాల యొక్క పని సామర్థ్యాలు (G), (H), మరియు (I)లో ప్రతి పరమాణు నిర్మాణం క్రింద జాబితా చేయబడ్డాయి.
సెపరేటర్లు కాథోడ్ మరియు యానోడ్‌లను ఎలక్ట్రానిక్‌గా ఇన్సులేట్ చేయగలవు మరియు గత దశ 1 మరింత క్షీణించకుండా నిరోధించడానికి సిటులో బ్యాటరీ ఆరోగ్య స్థితిని పర్యవేక్షించడంలో ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తాయి. ఉదాహరణకు, పాలిమర్-మెటల్-పాలిమర్ ట్రైలేయర్ కాన్ఫిగరేషన్‌తో కూడిన “బైఫంక్షనల్ సెపరేటర్” (అత్తి 3B) కొత్త వోల్టేజ్-సెన్సింగ్ ఫంక్షన్‌ను అందించగలదు.డెండ్రైట్ పెరిగి, ఇంటర్మీడియట్ పొరను చేరుకున్నప్పుడు, అది మెటల్ పొరను మరియు యానోడ్‌ను కలుపుతుంది, వాటి మధ్య అకస్మాత్తుగా వోల్టేజ్ తగ్గుదలని వెంటనే అవుట్‌పుట్‌గా గుర్తించవచ్చు.
డిటెక్షన్‌తో పాటు, ట్రైలేయర్ సెపరేటర్ ప్రమాదకర లి డెండ్రైట్‌లను వినియోగించేందుకు మరియు సెపరేటర్‌లోకి చొచ్చుకుపోయిన తర్వాత వాటి పెరుగుదలను మందగించడానికి రూపొందించబడింది.సిలికా నానోపార్టికల్స్ యొక్క పొర, వాణిజ్య పాలియోల్ఫిన్ సెపరేటర్ల యొక్క రెండు పొరలచే శాండ్విచ్ చేయబడింది (అత్తి 3, C మరియు D), ఏదైనా చొచ్చుకుపోయే ప్రమాదకర Li dendrites తినవచ్చు, తద్వారా బ్యాటరీ భద్రతను సమర్థవంతంగా మెరుగుపరుస్తుంది.సాంప్రదాయిక సెపరేటర్‌లతో పోలిస్తే రక్షిత బ్యాటరీ జీవితకాలం గణనీయంగా దాదాపు ఐదు రెట్లు పొడిగించబడింది (అత్తి 3E).
అధిక ఛార్జింగ్ రక్షణ.ఓవర్‌చార్జింగ్ అంటే బ్యాటరీని దాని రూపొందించిన వోల్టేజ్‌కు మించి ఛార్జ్ చేయడం అని నిర్వచించబడింది.అధిక నిర్దిష్ట కరెంట్ సాంద్రతలు, దూకుడు ఛార్జింగ్ ప్రొఫైల్‌లు మొదలైన వాటి ద్వారా ఓవర్‌ఛార్జింగ్ ప్రేరేపించబడవచ్చు, ఇది (i) యానోడ్‌పై Li మెటల్ నిక్షేపణతో సహా అనేక సమస్యలను కలిగిస్తుంది, ఇది బ్యాటరీ యొక్క ఎలక్ట్రోకెమికల్ పనితీరు మరియు భద్రతను తీవ్రంగా ప్రభావితం చేస్తుంది;(ii) కాథోడ్ పదార్థం యొక్క కుళ్ళిపోవడం, ఆక్సిజన్ విడుదల చేయడం;మరియు (iii) సేంద్రీయ ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క కుళ్ళిపోవడం, ఉష్ణ మరియు వాయు ఉత్పత్తులను విడుదల చేయడం (H2, హైడ్రోకార్బన్లు, CO, మొదలైనవి), ఇవి థర్మల్ రన్అవేకి బాధ్యత వహిస్తాయి.కుళ్ళిన సమయంలో ఎలెక్ట్రోకెమికల్ ప్రతిచర్యలు సంక్లిష్టంగా ఉంటాయి, వాటిలో కొన్ని క్రింద ఇవ్వబడ్డాయి.
నక్షత్రం (*) హైడ్రోజన్ వాయువు ప్రోటిక్ నుండి ఉద్భవించిందని సూచిస్తుంది, కాథోడ్ వద్ద కార్బోనేట్‌ల ఆక్సీకరణ సమయంలో ఉత్పత్తి చేయబడిన సమూహాలను వదిలివేస్తుంది, ఇది యానోడ్‌కు వ్యాపించి H2ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
వాటి విధుల్లోని వ్యత్యాసాల ఆధారంగా, ఓవర్‌ఛార్జ్ రక్షణ సంకలనాలను రెడాక్స్ షటిల్ సంకలనాలు మరియు షట్డౌన్ సంకలనాలుగా వర్గీకరించవచ్చు.మునుపటిది సెల్‌ను ఓవర్‌ఛార్జ్ నుండి రివర్స్‌బుల్‌గా రక్షిస్తుంది, రెండోది సెల్ ఆపరేషన్‌ను శాశ్వతంగా నిలిపివేస్తుంది.
ఓవర్‌ఛార్జ్ జరిగినప్పుడు బ్యాటరీలోకి ఇంజెక్ట్ చేయబడిన అదనపు ఛార్జ్‌ను ఎలక్ట్రోకెమికల్‌గా షంట్ చేయడం ద్వారా రెడాక్స్ షటిల్ సంకలనాలు పనిచేస్తాయి.లో చూపిన విధంగాఅత్తి 3F, మెకానిజం రెడాక్స్ సంకలితంపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది ఎలక్ట్రోలైట్ యానోడిక్ కుళ్ళిపోవడం కంటే కొంచెం తక్కువ ఆక్సీకరణ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది.అధిక ఛార్జ్ చేయబడిన కాథోడ్ ఉపరితలంపై, రెడాక్స్ సంకలితం [O] రూపానికి ఆక్సీకరణం చెందుతుంది, ఇది ఎలక్ట్రోలైట్ ద్వారా వ్యాప్తి చెందిన తర్వాత యానోడ్ ఉపరితలంపై దాని అసలు స్థితికి [R] తగ్గించబడుతుంది.తరువాత, తగ్గించబడిన సంకలితం తిరిగి కాథోడ్‌కు వ్యాపిస్తుంది మరియు "ఆక్సీకరణ-వ్యాప్తి-తగ్గింపు-వ్యాప్తి" యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమికల్ చక్రం నిరవధికంగా నిర్వహించబడుతుంది మరియు కాథోడ్ సంభావ్యతను మరింత ప్రమాదకరమైన ఓవర్‌చార్జింగ్ నుండి లాక్ చేస్తుంది.సంకలితాల యొక్క రెడాక్స్ సంభావ్యత కాథోడ్ యొక్క సంభావ్యత కంటే 0.3 నుండి 0.4 V వరకు ఉండాలని అధ్యయనాలు సూచిస్తున్నాయి.
ఆర్గానోమెటాలిక్ మెటలోసీన్స్ , ఫినోథియాజైన్స్ , ట్రిఫెనిలామైన్స్ , డైమెథాక్సిబెంజెన్స్ మరియు వాటి ఉత్పన్నాలు మరియు 2-(పెంటాఫ్లోరోఫెనిల్)-టెట్రాఫ్లోరో-1,3,2-బెన్ (టెట్రాఫ్లోరో-1,3,2-బెన్)తో సహా చక్కగా రూపొందించబడిన రసాయన నిర్మాణాలు మరియు రెడాక్స్ పొటెన్షియల్‌లతో కూడిన సంకలితాల శ్రేణి అభివృద్ధి చేయబడింది.అత్తి 3G)పరమాణు నిర్మాణాలను టైలరింగ్ చేయడం ద్వారా, సంకలిత ఆక్సీకరణ పొటెన్షియల్‌లను 4 V పైన ట్యూన్ చేయవచ్చు, ఇది వేగంగా అభివృద్ధి చెందుతున్న అధిక-వోల్టేజ్ కాథోడ్ పదార్థాలు మరియు ఎలక్ట్రోలైట్‌లకు అనుకూలంగా ఉంటుంది.ప్రాథమిక రూపకల్పన సూత్రం ఎలక్ట్రాన్-ఉపసంహరణ ప్రత్యామ్నాయాలను జోడించడం ద్వారా సంకలితం యొక్క అత్యధిక ఆక్రమిత పరమాణు కక్ష్యను తగ్గించడం, ఆక్సీకరణ సంభావ్యత పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది.సేంద్రీయ సంకలితాలతో పాటు, కొన్ని అకర్బన లవణాలు, ఇవి ఎలక్ట్రోలైట్ ఉప్పుగా పనిచేయడమే కాకుండా, పెర్ఫ్లోరోబోరేన్ క్లస్టర్ లవణాలు [అంటే, లిథియం ఫ్లోరోడోడెకాబోరేట్స్ (Li2B12F) వంటి రెడాక్స్ షటిల్‌గా కూడా పనిచేస్తాయి.xH12−x)], సమర్థవంతమైన రెడాక్స్ షటిల్ సంకలనాలుగా కూడా కనుగొనబడ్డాయి.
షట్డౌన్ ఓవర్‌ఛార్జ్ సంకలనాలు కోలుకోలేని ఓవర్‌ఛార్జ్ రక్షణ సంకలనాల తరగతి.అవి అధిక పొటెన్షియల్స్ వద్ద వాయువును విడుదల చేయడం ద్వారా పనిచేస్తాయి, ఇది కరెంట్ ఇంటర్‌ప్టర్ పరికరాన్ని సక్రియం చేస్తుంది లేదా విపత్తు ఫలితాలు సంభవించే ముందు బ్యాటరీ ఆపరేషన్‌ను ముగించడానికి అధిక పొటెన్షియల్‌ల వద్ద శాశ్వతంగా ఎలక్ట్రోకెమికల్‌గా పాలిమరైజ్ చేయడం ద్వారా (అత్తి 3H)మునుపటి వాటికి ఉదాహరణలలో జిలీన్ , సైక్లోహెక్సిల్‌బెంజీన్ మరియు బైఫినైల్ ఉన్నాయి, అయితే రెండవ వాటికి ఉదాహరణలు బైఫినైల్ మరియు ఇతర ప్రత్యామ్నాయ సుగంధ సమ్మేళనాలు (అత్తి 3I)ఈ సమ్మేళనాల యొక్క తిరుగులేని ఆక్సీకరణ కారణంగా షట్డౌన్ సంకలితాల యొక్క ప్రతికూల ప్రభావాలు ఇప్పటికీ LIBల యొక్క దీర్ఘకాలిక ఆపరేషన్ మరియు నిల్వ పనితీరు.
దశ 2లోని సమస్యలను పరిష్కరించడానికి (వేడి చేరడం మరియు వాయువు విడుదల ప్రక్రియ)
నమ్మదగిన కాథోడ్ పదార్థాలు.లిథియం పరివర్తన మెటల్ ఆక్సైడ్లు, లేయర్డ్ ఆక్సైడ్లు LiCoO2, LiNiO2 మరియు LiMnO2;స్పినెల్-రకం ఆక్సైడ్ LiM2O4;మరియు Polyanion రకం LiFePO4, ప్రముఖంగా ఉపయోగించే కాథోడ్ పదార్థాలు, అయితే, ముఖ్యంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద భద్రతా సమస్యలను కలిగి ఉంటాయి.వాటిలో, ఆలివిన్-స్ట్రక్చర్డ్ LiFePO4 సాపేక్షంగా సురక్షితం, ఇది 400 ° C వరకు స్థిరంగా ఉంటుంది, అయితే LiCoO2 250 ° C వద్ద కుళ్ళిపోతుంది.LiFePO4 యొక్క మెరుగైన భద్రతకు కారణం ఏమిటంటే, ఆక్సిజన్ అయాన్లన్నీ P5+తో బలమైన సమయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరుస్తాయి, ఇవి PO43− టెట్రాహెడ్రల్ పాలియాన్‌లను ఏర్పరుస్తాయి, ఇవి మొత్తం త్రిమితీయ ఫ్రేమ్‌వర్క్‌ను స్థిరీకరిస్తాయి మరియు ఇతర కాథోడ్ పదార్థాలతో పోలిస్తే మెరుగైన స్థిరత్వాన్ని అందిస్తాయి. కొన్ని బ్యాటరీ అగ్ని ప్రమాదాలు నివేదించబడ్డాయి.ఎత్తైన ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఈ కాథోడ్ పదార్థాల కుళ్ళిపోవడం మరియు ఏకకాలంలో ఆక్సిజన్ విడుదల చేయడం వల్ల ప్రధాన భద్రతా సమస్య తలెత్తుతుంది, ఇది కలిసి దహన మరియు పేలుళ్లకు దారితీస్తుంది, బ్యాటరీ భద్రతను తీవ్రంగా దెబ్బతీస్తుంది.ఉదాహరణకు, Ni2+ ఉనికి కారణంగా లేయర్డ్ ఆక్సైడ్ LiNiO2 యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం అస్థిరంగా ఉంటుంది, దీని అయానిక్ పరిమాణం Li+ మాదిరిగానే ఉంటుంది.డీలిథియేటెడ్ లిxNiO2 (x<1) మరింత స్థిరమైన స్పినెల్-టైప్ ఫేజ్ LiNi2O4 (స్పినెల్) మరియు రాక్‌సాల్ట్-టైప్ NiOకి మార్చడానికి ప్రయత్నిస్తుంది, ఆక్సిజన్ దాదాపు 200 ° C వద్ద ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్‌లోకి విడుదలవుతుంది, ఇది ఎలక్ట్రోలైట్ దహనానికి దారితీస్తుంది.
అణువు డోపింగ్ మరియు ఉపరితల రక్షణ పూతలతో ఈ కాథోడ్ పదార్థాల ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరచడానికి గణనీయమైన ప్రయత్నాలు జరిగాయి.
అటామ్ డోపింగ్ ఫలితంగా స్థిరీకరించబడిన క్రిస్టల్ నిర్మాణాల కారణంగా లేయర్డ్ ఆక్సైడ్ పదార్థాల ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని గణనీయంగా పెంచుతుంది.LiNiO2 లేదా Li1.05Mn1.95O4 యొక్క ఉష్ణ స్థిరత్వం Co, Mn, Mg మరియు Al వంటి ఇతర లోహ కాటయాన్‌లతో Ni లేదా Mn యొక్క పాక్షిక ప్రత్యామ్నాయం ద్వారా గణనీయంగా మెరుగుపడుతుంది.LiCoO2 కోసం, Ni మరియు Mn వంటి డోపింగ్ మరియు మిశ్రమ మూలకాల పరిచయం కుళ్ళిన ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రతను తీవ్రంగా పెంచుతుంది.Tడిసెంబరు, అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఎలక్ట్రోలైట్‌తో ప్రతిచర్యలను కూడా నివారించవచ్చు.అయితే, సాధారణంగా కాథోడ్ థర్మల్ స్టెబిలిటీలో పెరుగుదల నిర్దిష్ట సామర్థ్యంలో త్యాగాలతో వస్తుంది.ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి, లేయర్డ్ లిథియం నికెల్ కోబాల్ట్ మాంగనీస్ ఆక్సైడ్ ఆధారంగా పునర్వినియోగపరచదగిన లిథియం బ్యాటరీల కోసం ఏకాగ్రత-ప్రవణత క్యాథోడ్ పదార్థం అభివృద్ధి చేయబడింది (అత్తి 4A) .ఈ పదార్ధంలో, ప్రతి కణం Ni-రిచ్ సెంట్రల్ బల్క్ మరియు Mn-రిచ్ బయటి పొరను కలిగి ఉంటుంది, దీనితో Ni ఏకాగ్రత తగ్గుతుంది మరియు ఉపరితలం సమీపించే కొద్దీ Mn మరియు Co సాంద్రతలు పెరుగుతాయి (అత్తి 4B)మునుపటిది అధిక సామర్థ్యాన్ని అందిస్తుంది, అయితే రెండోది ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది.ఈ నవల కాథోడ్ మెటీరియల్ బ్యాటరీల ఎలెక్ట్రోకెమికల్ పనితీరులో రాజీ పడకుండా వాటి భద్రతను మెరుగుపరిచేందుకు చూపబడింది (అత్తి 4C).
Fig. 4 దశ 2లోని సమస్యలను పరిష్కరించడానికి వ్యూహాలు: నమ్మదగిన కాథోడ్‌లు.
(A) ని-రిచ్ కోర్ చుట్టూ ఏకాగ్రత-గ్రేడియంట్ బాహ్య పొరతో సానుకూల ఎలక్ట్రోడ్ కణం యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం.ప్రతి కణం Ni-రిచ్ సెంట్రల్ బల్క్ Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 మరియు Mn-రిచ్ బయటి పొర [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2]ని కలిగి ఉంటుంది, దీనితో Ni ఏకాగ్రత తగ్గుతుంది మరియు Mn మరియు Co సాంద్రతలు పెరుగుతాయి. ఉపరితలం చేరుకోవడంతో.మునుపటిది అధిక సామర్థ్యాన్ని అందిస్తుంది, అయితే రెండోది ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది.సగటు కూర్పు Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2.ఒక సాధారణ కణం యొక్క స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోగ్రాఫ్ కూడా కుడి వైపున చూపబడింది.(B) చివరి లిథియేటెడ్ ఆక్సైడ్ Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2 యొక్క ఎలక్ట్రాన్-ప్రోబ్ ఎక్స్-రే సూక్ష్మ విశ్లేషణ ఫలితాలు.ఇంటర్లేయర్‌లో Ni, Mn మరియు Co యొక్క క్రమంగా ఏకాగ్రత మార్పులు స్పష్టంగా కనిపిస్తాయి.Ni గాఢత తగ్గుతుంది మరియు Co మరియు Mn సాంద్రతలు ఉపరితలం వైపు పెరుగుతాయి.(C) డిఫరెన్షియల్ స్కానింగ్ క్యాలరీమెట్రీ (DSC) ట్రేస్‌లు ఏకాగ్రత-గ్రేడియంట్ మెటీరియల్ Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, Ni-రిచ్ సెంట్రల్ మెటీరియల్ Li(Ni0.8Co0.1Mn0తో ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క ప్రతిచర్య నుండి ఉష్ణ ప్రవాహాన్ని చూపుతాయి. 1)O2, మరియు Mn-రిచ్ బాహ్య పొర [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].పదార్థాలు 4.3 V. (A), (B), మరియు (C) ఛార్జ్ చేయబడ్డాయి స్ప్రింగర్ నేచర్ నుండి అనుమతితో పునరుత్పత్తి చేయబడ్డాయి.(D) ఎడమ: ట్రాన్స్మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (TEM) AlPO4 నానోపార్టికల్-కోటెడ్ LiCoO2 యొక్క బ్రైట్-ఫీల్డ్ ఇమేజ్;ఎనర్జీ డిస్పర్సివ్ ఎక్స్-రే స్పెక్ట్రోమెట్రీ పూత పొరలో అల్ మరియు పి భాగాలను నిర్ధారిస్తుంది.కుడి: నానోస్కేల్ కోటింగ్ లేయర్‌లో AlPO4 నానోపార్టికల్స్ (~3 nm వ్యాసం) చూపుతున్న హై-రిజల్యూషన్ TEM ఇమేజ్;బాణాలు AlPO4 లేయర్ మరియు LiCoO2 మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్‌ను సూచిస్తాయి.(E) ఎడమ: 12-V ఓవర్‌ఛార్జ్ పరీక్ష తర్వాత బేర్ LiCoO2 కాథోడ్‌ని కలిగి ఉన్న సెల్ యొక్క చిత్రం.ఆ వోల్టేజీకి సెల్ కాలిపోయి పేలిపోయింది.కుడివైపు: 12-V ఓవర్‌ఛార్జ్ పరీక్ష తర్వాత AlPO4 నానోపార్టికల్-కోటెడ్ LiCoO2ని కలిగి ఉన్న సెల్ యొక్క చిత్రం.(D) మరియు (E) జాన్ విలీ అండ్ సన్స్ అనుమతితో పునరుత్పత్తి చేయబడ్డాయి.
థర్మల్ స్టెబిలిటీని మెరుగుపరచడానికి మరొక వ్యూహం ఏమిటంటే, కాథోడ్ మెటీరియల్‌ను థర్మల్లీ స్టేబుల్ లి+ కండక్టింగ్ కాంపౌండ్‌ల యొక్క రక్షిత పలుచని పొరతో పూయడం, ఇది ఎలక్ట్రోలైట్‌తో కాథోడ్ పదార్థాల ప్రత్యక్ష సంబంధాన్ని నిరోధించవచ్చు మరియు తద్వారా సైడ్ రియాక్షన్‌లు మరియు ఉష్ణ ఉత్పత్తిని తగ్గిస్తుంది.పూతలు అకర్బన చలనచిత్రాలు కావచ్చు [ఉదాహరణకు, ZnO , Al2O3, AlPO4 , AlF3 మొదలైనవి], ఇవి లిథియేట్ చేయబడిన తర్వాత Li అయాన్‌లను నిర్వహించగలవు (అత్తి 4, D మరియు E), లేదా ఆర్గానిక్ ఫిల్మ్‌లు, పాలీ(డయల్‌డిమీథైలామోనియం క్లోరైడ్) , γ-బ్యూటిరోలాక్టోన్ సంకలనాలు మరియు మల్టీకంపోనెంట్ సంకలనాలు (వినైలీన్ కార్బోనేట్, 1,3-ప్రొపైలిన్ సల్ఫైట్ మరియు డైమెథైలాసెటమైడ్‌తో కూడినవి) ద్వారా ఏర్పడిన రక్షిత చలనచిత్రాలు .
కాథోడ్ భద్రతను పెంచడానికి సానుకూల ఉష్ణోగ్రత గుణకంతో పూతను పరిచయం చేయడం కూడా ప్రభావవంతంగా ఉంటుంది.ఉదాహరణకు, పాలీ(3-డెసిల్థియోఫెన్)-కోటెడ్ LiCoO2 కాథోడ్‌లు ఉష్ణోగ్రత >80°C వరకు పెరిగిన తర్వాత ఎలెక్ట్రోకెమికల్ ప్రతిచర్యలు మరియు సైడ్ రియాక్షన్‌లను ఆపివేయగలవు, ఎందుకంటే వాహక పాలిమర్ పొర అత్యంత నిరోధక స్థితికి వేగంగా రూపాంతరం చెందుతుంది.హైపర్-బ్రాంచ్డ్ ఆర్కిటెక్చర్‌తో సెల్ఫ్-టెర్మినేటెడ్ ఒలిగోమర్‌ల కోటింగ్‌లు బ్యాటరీని క్యాథోడ్ వైపు నుండి షట్ డౌన్ చేయడానికి థర్మల్లీ రెస్పాన్సివ్ బ్లాకింగ్ లేయర్‌గా కూడా పనిచేస్తాయి.
థర్మల్లీ మారగల ప్రస్తుత కలెక్టర్.స్టేజ్ 2 వద్ద బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రత పెరిగే సమయంలో ఎలెక్ట్రోకెమికల్ రియాక్షన్‌ల షట్డౌన్ ఉష్ణోగ్రత మరింత పెరగకుండా సమర్థవంతంగా నిరోధించవచ్చు.వేగవంతమైన మరియు రివర్సిబుల్ థర్మోరెస్పాన్సివ్ పాలిమర్ స్విచింగ్ (TRPS) ప్రస్తుత కలెక్టర్‌లో అంతర్గతంగా చేర్చబడింది (అత్తి 5A) .TRPS థిన్ ఫిల్మ్ వాహక గ్రాఫేన్-కోటెడ్ స్పైకీ నానోస్ట్రక్చర్డ్ నికెల్ (GrNi) కణాలను వాహక పూరకంగా మరియు పెద్ద ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం (α ~ 10−4 K−1)తో కూడిన PE మాతృకను కలిగి ఉంటుంది.ఫాబ్రికేటెడ్ పాలిమర్ కాంపోజిట్ ఫిల్మ్‌లు గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద అధిక వాహకతను (σ) చూపుతాయి, అయితే ఉష్ణోగ్రత మారే ఉష్ణోగ్రతకు చేరుకున్నప్పుడు (Ts), పాలిమర్ వాల్యూమ్ విస్తరణ ఫలితంగా వాహకత 1 సెకనులోపు ఏడు నుండి ఎనిమిది ఆర్డర్‌ల వరకు తగ్గుతుంది, ఇది వాహక కణాలను వేరు చేస్తుంది మరియు వాహక మార్గాలను విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది (అత్తి 5B)ఫిల్మ్ తక్షణమే ఇన్సులేటింగ్ అవుతుంది మరియు తద్వారా బ్యాటరీ ఆపరేషన్‌ను నిలిపివేస్తుంది (అత్తి 5C)ఈ ప్రక్రియ చాలా రివర్సిబుల్ మరియు పనితీరు రాజీ లేకుండా బహుళ వేడెక్కడం ఈవెంట్స్ తర్వాత కూడా పని చేయవచ్చు.
Fig. 5 దశ 2లోని సమస్యలను పరిష్కరించడానికి వ్యూహాలు.
(A) TRPS కరెంట్ కలెక్టర్ యొక్క థర్మల్ స్విచింగ్ మెకానిజం యొక్క స్కీమాటిక్ ఇలస్ట్రేషన్.సురక్షితమైన బ్యాటరీలో ఒకటి లేదా రెండు కరెంట్ కలెక్టర్లు సన్నని TRPS లేయర్‌తో కప్పబడి ఉంటాయి.ఇది గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద సాధారణంగా పనిచేస్తుంది.అయినప్పటికీ, అధిక ఉష్ణోగ్రత లేదా పెద్ద కరెంట్ విషయంలో, పాలిమర్ మాతృక విస్తరిస్తుంది, తద్వారా వాహక కణాలను వేరు చేస్తుంది, ఇది దాని వాహకతను తగ్గిస్తుంది, దాని నిరోధకతను బాగా పెంచుతుంది మరియు బ్యాటరీని మూసివేస్తుంది.తద్వారా బ్యాటరీ నిర్మాణం దెబ్బతినకుండా రక్షించబడుతుంది.శీతలీకరణపై, పాలిమర్ తగ్గిపోతుంది మరియు అసలు వాహక మార్గాలను తిరిగి పొందుతుంది.(B) వివిధ GrNi లోడింగ్‌లతో PE/GrNi మరియు GrNi యొక్క 30% (v/v) లోడింగ్‌తో PP/GrNiతో సహా ఉష్ణోగ్రత యొక్క విధిగా వేర్వేరు TRPS ఫిల్మ్‌ల రెసిస్టివిటీ మార్పులు.(C) 25°C మరియు షట్డౌన్ మధ్య సురక్షితమైన LiCoO2 బ్యాటరీ సైక్లింగ్ సామర్థ్యం సారాంశం.70°C వద్ద సున్నాకి సమీపంలో ఉన్న సామర్థ్యం పూర్తి షట్‌డౌన్‌ను సూచిస్తుంది.(A), (B), మరియు (C) స్ప్రింగర్ నేచర్ నుండి అనుమతితో పునరుత్పత్తి చేయబడ్డాయి.(D) LIBల కోసం మైక్రోస్పియర్-ఆధారిత షట్డౌన్ కాన్సెప్ట్ యొక్క స్కీమాటిక్ ప్రాతినిధ్యం.ఎలక్ట్రోడ్‌లు థర్మోరెస్పాన్సివ్ మైక్రోస్పియర్‌లతో పని చేస్తాయి, ఇవి క్లిష్టమైన అంతర్గత బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రత కంటే ఎక్కువ, ఉష్ణ పరివర్తన (మెల్ట్)కి గురవుతాయి.కరిగిన గుళికలు ఎలక్ట్రోడ్ ఉపరితలాన్ని పూస్తాయి, అయానికల్ ఇన్సులేటింగ్ అవరోధాన్ని ఏర్పరుస్తాయి మరియు బ్యాటరీ సెల్‌ను మూసివేస్తాయి.(E) 94% అల్యూమినా కణాలు మరియు 6% స్టైరిన్-బ్యూటాడిన్ రబ్బర్ (SBR) బైండర్‌తో కూడిన సన్నని మరియు స్వీయ-నిలబడి ఉండే అకర్బన మిశ్రమ పొరను ద్రావణ కాస్టింగ్ పద్ధతి ద్వారా తయారు చేశారు.కుడి: అకర్బన మిశ్రమ విభజన మరియు PE విభజన యొక్క ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని చూపే ఛాయాచిత్రాలు.సెపరేటర్లు 130 ° C వద్ద 40 నిమిషాలు ఉంచబడ్డాయి.చుక్కల చతురస్రం ఉన్న ప్రాంతం నుండి PE గణనీయంగా తగ్గిపోయింది.అయినప్పటికీ, కాంపోజిట్ సెపరేటర్ స్పష్టమైన సంకోచాన్ని చూపలేదు.ఎల్సెవియర్ నుండి అనుమతితో పునరుత్పత్తి చేయబడింది.(F) తక్కువ అధిక-ఉష్ణోగ్రత సంకోచంతో సెపరేటర్ మెటీరియల్స్‌గా కొన్ని అధిక ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రత పాలిమర్‌ల పరమాణు నిర్మాణం.టాప్: పాలిమైడ్ (PI).మధ్య: సెల్యులోజ్.దిగువ: పాలీ(బ్యూటిలీన్) టెరెఫ్తలేట్.(G) ఎడమ: PE మరియు PP సెపరేటర్‌తో PI యొక్క DSC స్పెక్ట్రా యొక్క పోలిక;PI సెపరేటర్ 30° నుండి 275°C వరకు ఉష్ణోగ్రత పరిధిలో అద్భుతమైన ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని చూపుతుంది.కుడి: డిజిటల్ కెమెరా ఫోటోలు కమర్షియల్ సెపరేటర్ యొక్క తేమను మరియు ప్రొపైలిన్ కార్బోనేట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌తో సింథసైజ్ చేయబడిన PI సెపరేటర్‌ను పోల్చడం.అమెరికన్ కెమికల్ సొసైటీ అనుమతితో పునరుత్పత్తి చేయబడింది.
థర్మల్ షట్డౌన్ సెపరేటర్లు.దశ 2 సమయంలో బ్యాటరీలను థర్మల్ రన్అవే నుండి నిరోధించడానికి మరొక వ్యూహం ఏమిటంటే, సెపరేటర్ ద్వారా Li అయాన్ల ప్రసరణ మార్గాన్ని మూసివేయడం.అయానిక్ రవాణాను అనుమతించేటప్పుడు అధిక-శక్తి కాథోడ్ మరియు యానోడ్ పదార్థాల మధ్య ప్రత్యక్ష విద్యుత్ సంబంధాన్ని నిరోధిస్తున్నందున, LIBల భద్రతకు సెపరేటర్లు కీలకమైన భాగాలు.PP మరియు PE అత్యంత సాధారణంగా ఉపయోగించే పదార్థాలు, కానీ అవి వరుసగా ~165° మరియు ~135°C ద్రవీభవన బిందువులతో తక్కువ ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటాయి.వాణిజ్య LIB కోసం, PP/PE/PP ట్రైలేయర్ నిర్మాణంతో కూడిన సెపరేటర్లు ఇప్పటికే వాణిజ్యీకరించబడ్డాయి, ఇక్కడ PE అనేది రక్షిత మధ్య పొర.బ్యాటరీ యొక్క అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత క్లిష్టమైన ఉష్ణోగ్రత (~130°C) కంటే పెరిగినప్పుడు, పోరస్ PE పొర పాక్షికంగా కరుగుతుంది, ఫిల్మ్ రంధ్రాలను మూసివేస్తుంది మరియు ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్‌లో అయాన్ల వలసలను నిరోధిస్తుంది, అయితే PP పొర అంతర్గతంగా నివారించేందుకు యాంత్రిక మద్దతును అందిస్తుంది. షార్ట్టింగ్ప్రత్యామ్నాయంగా, బ్యాటరీ యానోడ్‌లు లేదా సెపరేటర్ల రక్షిత పొరగా థర్మోరెస్పాన్సివ్ PE లేదా పారాఫిన్ వాక్స్ మైక్రోస్పియర్‌లను ఉపయోగించడం ద్వారా కూడా LIB యొక్క ఉష్ణ ప్రేరిత షట్‌డౌన్‌ను సాధించవచ్చు.అంతర్గత బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రత క్లిష్టమైన విలువకు చేరుకున్నప్పుడు, మైక్రోస్పియర్‌లు కరుగుతాయి మరియు యానోడ్/సెపరేటర్‌ను నాన్‌పెర్మెబుల్ అవరోధంతో పూస్తాయి, Li-ion రవాణాను ఆపివేస్తాయి మరియు సెల్‌ను శాశ్వతంగా మూసివేస్తాయి (అత్తి 5D).
అధిక ఉష్ణ స్థిరత్వంతో సెపరేటర్లు.బ్యాటరీ సెపరేటర్ల యొక్క ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరచడానికి, గత కొన్ని సంవత్సరాలుగా రెండు విధానాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి:
(1) సిరామిక్-మెరుగైన సెపరేటర్లు, సిరామిక్ పొరల యొక్క ప్రత్యక్ష పూత లేదా సిరామిక్ లేయర్‌ల ఉపరితలంపై వృద్ధి చేయడం ద్వారా తయారు చేస్తారు, ఇవి ఇప్పటికే ఉన్న పాలియోలిఫిన్ సెపరేటర్ ఉపరితలాలపై లేదా పాలీమెరిక్ పదార్థాలలో పొందుపరిచిన సిరామిక్ పౌడర్‌లను కలిగి ఉంటాయి (అత్తి 5E) , చాలా ఎక్కువ ద్రవీభవన బిందువులు మరియు అధిక యాంత్రిక బలాన్ని చూపుతాయి మరియు సాపేక్షంగా అధిక ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంటాయి.ఈ వ్యూహం ద్వారా రూపొందించబడిన కొన్ని మిశ్రమ విభజనలు సెపారియన్ (వాణిజ్య పేరు) వంటి వాణిజ్యీకరించబడ్డాయి.
(2) పాలిమైడ్, సెల్యులోజ్, పాలీ(బ్యూటిలీన్) టెరెఫ్తాలేట్ మరియు ఇతర సారూప్య పాలీ(ఎస్టర్‌లు) వంటి వేడెక్కినప్పుడు తక్కువ కుదించే పాలియోలిఫిన్ నుండి అధిక ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రత పాలిమర్‌లకు సెపరేటర్ మెటీరియల్‌లను మార్చడం అనేది ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరచడానికి మరొక ప్రభావవంతమైన వ్యూహం. వేరుచేసేవి (అత్తి 5F)ఉదాహరణకు, పాలిమైడ్ అనేది థర్మోసెట్టింగ్ పాలిమర్, దాని అద్భుతమైన ఉష్ణ స్థిరత్వం (400°C కంటే స్థిరంగా ఉంటుంది), మంచి రసాయన నిరోధకత, అధిక తన్యత బలం, మంచి ఎలక్ట్రోలైట్ తేమ మరియు జ్వాల రిటార్డెన్సీ కారణంగా విస్తృతంగా మంచి ప్రత్యామ్నాయంగా పరిగణించబడుతుంది.Fig. 5G) .
శీతలీకరణ ఫంక్షన్‌తో బ్యాటరీ ప్యాకేజీలు.బ్యాటరీ పనితీరును మెరుగుపరచడానికి మరియు ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలను నెమ్మదింపజేయడానికి గాలి లేదా ద్రవ శీతలీకరణ ప్రసరణ ద్వారా ప్రారంభించబడిన పరికర-స్థాయి థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌లు ఉపయోగించబడ్డాయి.అదనంగా, పారాఫిన్ వ్యాక్స్ వంటి దశ-మార్పు పదార్థాలు బ్యాటరీ ప్యాక్‌లలో ఏకీకృతం చేయబడ్డాయి, వాటి ఉష్ణోగ్రతను నియంత్రించడానికి హీట్ సింక్‌గా పని చేస్తాయి, అందువల్ల ఉష్ణోగ్రత దుర్వినియోగాన్ని నివారిస్తుంది.
దశ 3 (దహన మరియు పేలుడు) లో సమస్యలను పరిష్కరించడానికి
"అగ్ని త్రిభుజం" అని పిలువబడే వేడి, ఆక్సిజన్ మరియు ఇంధనం చాలా మంటలకు అవసరమైన పదార్థాలు.1 మరియు 2 దశలలో ఉత్పత్తి చేయబడిన వేడి మరియు ఆక్సిజన్ చేరడం వలన, ఇంధనం (అంటే, అత్యంత మండే ఎలక్ట్రోలైట్స్) స్వయంచాలకంగా దహనం ప్రారంభమవుతుంది.ఎలక్ట్రోలైట్ ద్రావకాల యొక్క మంటను తగ్గించడం బ్యాటరీ భద్రతకు మరియు LIBల యొక్క మరింత పెద్ద-స్థాయి అనువర్తనాలకు చాలా ముఖ్యమైనది.
ఫ్లేమ్-రిటార్డెంట్ సంకలనాలు.ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ల మంటను తగ్గించడానికి జ్వాల-నిరోధక సంకలనాల అభివృద్ధికి అద్భుతమైన పరిశోధన ప్రయత్నాలు అంకితం చేయబడ్డాయి.ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్‌లలో ఉపయోగించే చాలా మంట-నిరోధక సంకలనాలు సేంద్రీయ భాస్వరం సమ్మేళనాలు లేదా సేంద్రీయ హాలోజనేటెడ్ సమ్మేళనాలపై ఆధారపడి ఉంటాయి.హాలోజెన్‌లు పర్యావరణానికి మరియు మానవ ఆరోగ్యానికి ప్రమాదకరం కాబట్టి, ఆర్గానిక్ ఫాస్పరస్ సమ్మేళనాలు అధిక జ్వాల-రిటార్డింగ్ సామర్థ్యం మరియు పర్యావరణ అనుకూలత కారణంగా జ్వాల-నిరోధక సంకలనాలుగా అభ్యర్థులకు మరింత ఆశాజనకంగా ఉన్నాయి.సాధారణ సేంద్రీయ భాస్వరం సమ్మేళనాలలో ట్రైమిథైల్ ఫాస్ఫేట్, ట్రిఫెనైల్ ఫాస్ఫేట్, బిస్(2-మెథాక్సీథాక్సీ)మీథైలాల్ఫాస్ఫోనేట్, ట్రిస్(2,2,2-ట్రిఫ్లోరోఇథైల్) ఫాస్ఫైట్, (ఎథాక్సీ)పెంటాఫ్లోరోసైక్లోట్రిఫాస్జేన్, ఇథిలీన్, ఇథైలీన్ మొదలైనవి.అత్తి 6A)ఈ భాస్వరం-కలిగిన సమ్మేళనాల యొక్క జ్వాల రిటార్డేషన్ ప్రభావాలకు సంబంధించిన విధానం సాధారణంగా రసాయన రాడికల్-స్కావెంజింగ్ ప్రక్రియగా నమ్ముతారు.దహన సమయంలో, భాస్వరం-కలిగిన అణువులు భాస్వరం-కలిగిన ఫ్రీ-రాడికల్ జాతులకు కుళ్ళిపోతాయి, ఇవి నిరంతర దహనానికి కారణమయ్యే చైన్ రియాక్షన్ ప్రచారంలో ఉత్పన్నమయ్యే రాడికల్‌లను (ఉదాహరణకు, H మరియు OH రాడికల్స్) అంతం చేయగలవు (అత్తి 6, బి మరియు సి) .దురదృష్టవశాత్తు, ఈ భాస్వరం-కలిగిన జ్వాల రిటార్డెంట్ల జోడింపుతో మంట తగ్గడం అనేది ఎలక్ట్రోకెమికల్ పనితీరు యొక్క వ్యయంతో వస్తుంది.ఈ ట్రేడ్-ఆఫ్‌ను మెరుగుపరచడానికి, ఇతర పరిశోధకులు వాటి పరమాణు నిర్మాణంలో కొన్ని మార్పులను చేసారు: (i) ఆల్కైల్ ఫాస్ఫేట్‌ల యొక్క పాక్షిక ఫ్లోరినేషన్ వాటి తగ్గింపు స్థిరత్వాన్ని మరియు వాటి జ్వాల రిటార్డెన్సీ ప్రభావాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది;(ii) బిస్(2-మెథాక్సీథాక్సీ)మీథైలాల్ఫాస్ఫోనేట్ వంటి రక్షిత ఫిల్మ్-ఫార్మింగ్ మరియు ఫ్లేమ్-రిటార్డింగ్ లక్షణాలు రెండింటినీ కలిగి ఉన్న సమ్మేళనాల ఉపయోగం, ఇక్కడ అనుబంధ సమూహాలు గ్రాఫైట్ ఉపరితలాలపై పాలిమరైజ్ చేసి స్థిరమైన SEI ఫిల్మ్‌ను ఏర్పరుస్తాయి, తద్వారా ప్రమాదకరమైన వైపును సమర్థవంతంగా నిరోధించవచ్చు. ప్రతిచర్యలు;(iii) P(V) ఫాస్ఫేట్‌ను P(III) ఫాస్ఫైట్‌లుగా మార్చడం, ఇది SEI ఏర్పడటానికి దోహదపడుతుంది మరియు ప్రమాదకర PF5ని నిష్క్రియం చేయగల సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది [ఉదాహరణకు, tris(2,2,2-trifluoroethyl) ఫాస్ఫైట్];మరియు (iv) ఆర్గానోఫాస్ఫరస్ సంకలితాలను సైక్లిక్ ఫాస్ఫేజీన్‌లతో భర్తీ చేయడం, ముఖ్యంగా ఫ్లోరినేటెడ్ సైక్లోఫాస్ఫేజీన్, ఇవి మెరుగైన ఎలక్ట్రోకెమికల్ అనుకూలతను కలిగి ఉంటాయి.
Fig. 6 దశ 3లోని సమస్యలను పరిష్కరించడానికి వ్యూహాలు.
(A) జ్వాల-నిరోధక సంకలితాల యొక్క సాధారణ పరమాణు నిర్మాణాలు.(B) ఈ భాస్వరం-కలిగిన సమ్మేళనాల యొక్క జ్వాల రిటార్డేషన్ ప్రభావాలకు సంబంధించిన యంత్రాంగం సాధారణంగా రసాయనిక రాడికల్-స్కావెంజింగ్ ప్రక్రియగా విశ్వసించబడుతుంది, ఇది గ్యాస్ దశలో దహన ప్రతిచర్యకు కారణమయ్యే రాడికల్ చైన్ రియాక్షన్‌లను ముగించగలదు.TPP, ట్రిఫినైల్ ఫాస్ఫేట్.(సి) సాధారణ కార్బోనేట్ ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క స్వీయ-ఆర్పివేసే సమయం (SET) ట్రిఫెనైల్ ఫాస్ఫేట్ చేరికతో గణనీయంగా తగ్గించబడుతుంది.(D) LIBల కోసం థర్మల్-ట్రిగ్గర్డ్ ఫ్లేమ్-రిటార్డెంట్ లక్షణాలతో “స్మార్ట్” ఎలక్ట్రోస్పన్ సెపరేటర్ యొక్క స్కీమాటిక్.ఫ్రీ-స్టాండింగ్ సెపరేటర్ కోర్-షెల్ స్ట్రక్చర్‌తో మైక్రోఫైబర్‌లతో కూడి ఉంటుంది, ఇక్కడ ఫ్లేమ్ రిటార్డెంట్ కోర్ మరియు పాలిమర్ షెల్.థర్మల్ ట్రిగ్గరింగ్ తర్వాత, పాలిమర్ షెల్ కరుగుతుంది మరియు తరువాత ఎన్‌క్యాప్సులేటెడ్ ఫ్లేమ్ రిటార్డెంట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లోకి విడుదల చేయబడుతుంది, తద్వారా ఎలక్ట్రోలైట్ల జ్వలన మరియు దహనాన్ని సమర్థవంతంగా అణిచివేస్తుంది.(E) చెక్కిన తర్వాత TPP@PVDF-HFP మైక్రోఫైబర్‌ల యొక్క SEM చిత్రం వాటి కోర్-షెల్ నిర్మాణాన్ని స్పష్టంగా చూపుతుంది.స్కేల్ బార్, 5 μm.(F) గది ఉష్ణోగ్రత అయానిక్ ద్రవం యొక్క సాధారణ పరమాణు నిర్మాణాలు LIBల కోసం మండించలేని ఎలక్ట్రోలైట్‌లుగా ఉపయోగించబడతాయి.(G) PFPE యొక్క పరమాణు నిర్మాణం, ఒక నాన్‌ఫ్లమేబుల్ పెర్ఫ్లోరినేటెడ్ PEO అనలాగ్.ప్రస్తుత బ్యాటరీ వ్యవస్థలతో అణువుల అనుకూలతను నిర్ధారించడానికి పాలిమర్ గొలుసుల టెర్మినల్స్‌పై రెండు మిథైల్ కార్బోనేట్ సమూహాలు సవరించబడతాయి.
పైన పేర్కొన్న పరమాణు డిజైన్ల ద్వారా ఈ రాజీ మెరుగుపరచబడినప్పటికీ, జాబితా చేయబడిన సంకలితాల కోసం ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క తగ్గిన మంట మరియు సెల్ పనితీరు మధ్య ఎల్లప్పుడూ ట్రేడ్-ఆఫ్ ఉంటుందని గమనించాలి.ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి మరొక ప్రతిపాదిత వ్యూహం మైక్రోఫైబర్‌ల యొక్క రక్షిత పాలిమర్ షెల్‌లోని ఫ్లేమ్ రిటార్డెంట్‌ను చేర్చడం, ఇది ఒక నాన్‌వోవెన్ సెపరేటర్‌ను రూపొందించడానికి మరింత పేర్చబడి ఉంటుంది (అత్తి 6D) .థర్మల్-ట్రిగ్గర్డ్ ఫ్లేమ్-రిటార్డెంట్ లక్షణాలతో ఒక నవల ఎలక్ట్రోస్పన్ నాన్‌వోవెన్ మైక్రోఫైబర్ సెపరేటర్ LIBల కోసం రూపొందించబడింది.రక్షిత పాలిమర్ షెల్ లోపల జ్వాల రిటార్డెంట్ యొక్క ఎన్‌క్యాప్సులేషన్ ఎలక్ట్రోలైట్‌కు ఫ్లేమ్ రిటార్డెంట్‌ను నేరుగా బహిర్గతం చేయడాన్ని నిరోధిస్తుంది, బ్యాటరీ యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమికల్ పనితీరుపై రిటార్డెంట్ల నుండి ప్రతికూల ప్రభావాలను నివారిస్తుంది (అత్తి 6E)అయినప్పటికీ, LIB బ్యాటరీ యొక్క థర్మల్ రన్అవే సంభవించినట్లయితే, ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ పాలీ(వినైలిడెనెఫ్లోరైడ్-హెక్సాఫ్లోరో ప్రొపైలిన్) కోపాలిమర్ (PVDF-HFP) షెల్ కరిగిపోతుంది.అప్పుడు ఎన్‌క్యాప్సులేటెడ్ ట్రిఫెనైల్ ఫాస్ఫేట్ ఫ్లేమ్ రిటార్డెంట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లోకి విడుదల చేయబడుతుంది, తద్వారా అత్యంత మండే ఎలక్ట్రోలైట్ల దహనాన్ని సమర్థవంతంగా అణిచివేస్తుంది.
ఈ గందరగోళాన్ని పరిష్కరించడానికి "ఉప్పు-కేంద్రీకృత ఎలక్ట్రోలైట్" భావన కూడా అభివృద్ధి చేయబడింది.పునర్వినియోగపరచదగిన బ్యాటరీల కోసం ఈ మంటలను ఆర్పే ఆర్గానిక్ ఎలక్ట్రోలైట్లు LiN(SO2F)2ని ఉప్పుగా కలిగి ఉంటాయి మరియు ట్రిమెథైల్ ఫాస్ఫేట్ (TMP) యొక్క ప్రసిద్ధ జ్వాల నిరోధకాన్ని ఏకైక ద్రావణిగా కలిగి ఉంటాయి.యానోడ్‌పై బలమైన ఉప్పు-ఉత్పన్నమైన అకర్బన SEI యొక్క ఆకస్మిక నిర్మాణం స్థిరమైన ఎలక్ట్రోకెమికల్ పనితీరుకు కీలకం.ఈ నవల వ్యూహాన్ని అనేక ఇతర జ్వాల రిటార్డెంట్లకు విస్తరించవచ్చు మరియు సురక్షితమైన LIBల కోసం కొత్త జ్వాల-నిరోధక ద్రావణాలను అభివృద్ధి చేయడానికి కొత్త మార్గాన్ని తెరవవచ్చు.
మంటలేని ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్లు.ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క భద్రతా సమస్యలకు అంతిమ పరిష్కారం అంతర్గతంగా మంటలేని ఎలక్ట్రోలైట్‌లను అభివృద్ధి చేయడం.విస్తృతంగా అధ్యయనం చేయబడిన నాన్‌ఫ్లమేబుల్ ఎలక్ట్రోలైట్ల సమూహం అయానిక్ ద్రవాలు, ప్రత్యేకించి గది ఉష్ణోగ్రత అయానిక్ ద్రవాలు, ఇవి నాన్‌వోలేటైల్ (200°C కంటే తక్కువ ఆవిరి పీడనం ఉండవు) మరియు మంటలేనివి మరియు విస్తృత ఉష్ణోగ్రత విండోను కలిగి ఉంటాయి (అత్తి 6F) .అయినప్పటికీ, వాటి అధిక స్నిగ్ధత, తక్కువ లి బదిలీ సంఖ్య, క్యాథోడిక్ లేదా రిడక్టివ్ అస్థిరత మరియు అయానిక్ ద్రవాల యొక్క అధిక ధరల నుండి ఉత్పన్నమయ్యే తక్కువ రేటు సామర్థ్యం యొక్క సమస్యలను పరిష్కరించడానికి నిరంతర పరిశోధన ఇంకా అవసరం.
తక్కువ-మాలిక్యులర్ బరువు హైడ్రోఫ్లోరోఇథర్‌లు వాటి అధిక లేదా ఫ్లాష్ పాయింట్, నాన్‌ఫ్లమబిలిటీ, తక్కువ ఉపరితల ఉద్రిక్తత, తక్కువ స్నిగ్ధత, తక్కువ గడ్డకట్టే ఉష్ణోగ్రత మొదలైన వాటి కారణంగా మంటలేని ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ల యొక్క మరొక తరగతి.బ్యాటరీ ఎలక్ట్రోలైట్ల ప్రమాణాలకు అనుగుణంగా వాటి రసాయన లక్షణాలను స్వీకరించడానికి సరైన పరమాణు రూపకల్పన చేయాలి.ఇటీవల నివేదించబడిన ఒక ఆసక్తికరమైన ఉదాహరణ పెర్ఫ్లోరోపాలిథర్ (PFPE), ఒక పెర్ఫ్లోరినేటెడ్ పాలిథిలిన్ ఆక్సైడ్ (PEO) అనలాగ్, ఇది మంటలేని వాటికి ప్రసిద్ధి చెందింది (అత్తి 6G) .ప్రస్తుత బ్యాటరీ సిస్టమ్‌లతో అణువుల అనుకూలతను నిర్ధారించడానికి PFPE గొలుసుల (PFPE-DMC) టెర్మినల్ సమూహాలపై రెండు మిథైల్ కార్బోనేట్ సమూహాలు సవరించబడ్డాయి.అందువల్ల, ప్రత్యేకమైన పరమాణు నిర్మాణ రూపకల్పన కారణంగా ఎలక్ట్రోలైట్ బదిలీ సంఖ్యను పెంచేటప్పుడు PFPEల యొక్క నాన్‌ఫ్లమబిలిటీ మరియు థర్మల్ స్టెబిలిటీ LIBల భద్రతను గణనీయంగా మెరుగుపరుస్తాయి.
స్టేజ్ 3 అనేది థర్మల్ రన్అవే ప్రక్రియకు చివరిది కానీ ముఖ్యంగా కీలకమైన దశ.అత్యాధునిక లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క మంటను తగ్గించడానికి గొప్ప ప్రయత్నాలు చేసినప్పటికీ, అస్థిరత లేని ఘన-స్థితి ఎలక్ట్రోలైట్ల ఉపయోగం గొప్ప వాగ్దానాన్ని చూపుతుందని గమనించాలి.ఘన విద్యుద్విశ్లేష్యాలు ప్రధానంగా రెండు వర్గాలలోకి వస్తాయి: అకర్బన సిరామిక్ ఎలక్ట్రోలైట్లు [సల్ఫైడ్లు, ఆక్సైడ్లు, నైట్రైడ్లు, ఫాస్ఫేట్లు మొదలైనవి] మరియు ఘన పాలిమర్ ఎలక్ట్రోలైట్లు [పాలీ (ఇథిలీన్ ఆక్సైడ్), పాలీయాక్రిలోనిట్రైల్ మొదలైన పాలిమర్లతో లి లవణాల మిశ్రమాలు.ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌లను మెరుగుపరచడానికి చేసిన ప్రయత్నాలు ఇక్కడ వివరించబడవు, ఎందుకంటే ఈ అంశం ఇప్పటికే అనేక ఇటీవలి సమీక్షలలో బాగా సంగ్రహించబడింది.
ఔట్‌లుక్
గతంలో, బ్యాటరీ భద్రతను మెరుగుపరచడానికి అనేక నవల పదార్థాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి, అయినప్పటికీ సమస్య ఇంకా పూర్తిగా పరిష్కరించబడలేదు.అదనంగా, భద్రతా సమస్యలకు సంబంధించిన మెకానిజమ్స్ ప్రతి విభిన్న బ్యాటరీ కెమిస్ట్రీకి మారుతూ ఉంటాయి.అందువలన, వివిధ బ్యాటరీలకు అనుగుణంగా నిర్దిష్ట పదార్థాలను రూపొందించాలి.మరింత సమర్థవంతమైన పద్ధతులు మరియు చక్కగా రూపొందించబడిన మెటీరియల్‌లను కనుగొనవలసి ఉందని మేము నమ్ముతున్నాము.ఇక్కడ, భవిష్యత్తులో బ్యాటరీ భద్రత పరిశోధన కోసం మేము అనేక సాధ్యమైన దిశలను జాబితా చేస్తాము.
ముందుగా, LIBల అంతర్గత ఆరోగ్య పరిస్థితులను గుర్తించడం మరియు పర్యవేక్షించడం కోసం సిటు లేదా ఒపెరాండో పద్ధతుల్లో అభివృద్ధి చేయడం ముఖ్యం.ఉదాహరణకు, థర్మల్ రన్అవే ప్రక్రియ LIBలలో అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత లేదా పీడన పెరుగుదలకు దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటుంది.అయినప్పటికీ, బ్యాటరీల లోపల ఉష్ణోగ్రత పంపిణీ చాలా క్లిష్టంగా ఉంటుంది మరియు ఎలక్ట్రోలైట్లు మరియు ఎలక్ట్రోడ్‌లు, అలాగే సెపరేటర్ల విలువలను ఖచ్చితంగా పర్యవేక్షించడానికి పద్ధతులు అవసరం.అందువల్ల, వివిధ భాగాల కోసం ఈ పారామితులను కొలవగలగడం అనేది రోగనిర్ధారణకు కీలకం మరియు తద్వారా బ్యాటరీ భద్రతా ప్రమాదాలను నివారించడం.
బ్యాటరీ భద్రతకు సెపరేటర్ల థర్మల్ స్థిరత్వం కీలకం.అధిక ద్రవీభవన బిందువులతో కొత్తగా అభివృద్ధి చేయబడిన పాలిమర్‌లు సెపరేటర్ యొక్క ఉష్ణ సమగ్రతను పెంచడంలో ప్రభావవంతంగా ఉంటాయి.అయినప్పటికీ, వాటి యాంత్రిక లక్షణాలు ఇప్పటికీ నాసిరకం, బ్యాటరీ అసెంబ్లీ సమయంలో వాటి ప్రాసెసిబిలిటీని బాగా తగ్గిస్తుంది.అంతేకాకుండా, ఆచరణాత్మక అనువర్తనాల కోసం పరిగణించవలసిన ముఖ్యమైన అంశం ధర కూడా.
ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ల అభివృద్ధి LIBల యొక్క భద్రతా సమస్యలకు అంతిమ పరిష్కారంగా కనిపిస్తోంది.ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ మంటలు మరియు పేలుళ్ల ప్రమాదాలతో పాటు బ్యాటరీ అంతర్గత షార్టింగ్‌ను బాగా తగ్గిస్తుంది.ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ల అభివృద్ధికి గొప్ప ప్రయత్నాలు చేసినప్పటికీ, వాటి పనితీరు ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ల కంటే చాలా వెనుకబడి ఉంది.అకర్బన మరియు పాలిమర్ ఎలక్ట్రోలైట్ల మిశ్రమాలు గొప్ప సామర్థ్యాన్ని చూపుతాయి, అయితే వాటికి సున్నితమైన రూపకల్పన మరియు తయారీ అవసరం.సమర్థవంతమైన లి-అయాన్ రవాణా కోసం అకర్బన-పాలిమర్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ల యొక్క సరైన రూపకల్పన మరియు వాటి అమరిక యొక్క ఇంజనీరింగ్ కీలకమని మేము నొక్కిచెబుతున్నాము.
ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ మండే ఏకైక బ్యాటరీ భాగం కాదని గమనించాలి.ఉదాహరణకు, LIBలు అధికంగా ఛార్జ్ చేయబడినప్పుడు, మండే లిథియేటెడ్ యానోడ్ పదార్థాలు (ఉదాహరణకు, లిథియేటెడ్ గ్రాఫైట్) కూడా పెద్ద భద్రతకు సంబంధించినవి.సాలిడ్-స్టేట్ మెటీరియల్స్ యొక్క మంటలను సమర్ధవంతంగా తగ్గించగల ఫ్లేమ్ రిటార్డెంట్లు వాటి భద్రతను పెంచడానికి చాలా డిమాండ్ చేయబడ్డాయి.జ్వాల రిటార్డెంట్లను గ్రాఫైట్‌తో పాలిమర్ బైండర్‌లు లేదా వాహక ఫ్రేమ్‌వర్క్‌ల రూపంలో కలపవచ్చు.
బ్యాటరీ భద్రత చాలా క్లిష్టమైన మరియు అధునాతన సమస్య.బ్యాటరీ భద్రత యొక్క భవిష్యత్తు మరింత అధునాతన క్యారెక్టరైజేషన్ పద్ధతులతో పాటు లోతైన అవగాహన కోసం ప్రాథమిక యాంత్రిక అధ్యయనాలలో మరిన్ని ప్రయత్నాలను కోరుతుంది, ఇది మెటీరియల్స్ రూపకల్పనకు మార్గనిర్దేశం చేయడానికి మరింత సమాచారాన్ని అందిస్తుంది.ఈ సమీక్ష మెటీరియల్-స్థాయి భద్రతపై దృష్టి సారించినప్పటికీ, LIBల యొక్క భద్రతా సమస్యను పరిష్కరించడానికి మరింత సమగ్రమైన విధానం అవసరమని గమనించాలి, ఇక్కడ పదార్థాలు, సెల్ భాగాలు మరియు ఫార్మాట్ మరియు బ్యాటరీ మాడ్యూల్ మరియు ప్యాక్‌లు బ్యాటరీలను విశ్వసనీయంగా చేయడానికి సమాన పాత్రను పోషిస్తాయి. వాటిని మార్కెట్‌కి విడుదల చేస్తారు.
సూచనలు మరియు గమనికలు
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీ భద్రత కోసం మెటీరియల్స్, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
పోస్ట్ సమయం: జూన్-05-2021
