અમૂર્ત
લિથિયમ-આયન બેટરી (LIBs) એ સૌથી મહત્વપૂર્ણ ઊર્જા સંગ્રહ તકનીકોમાંની એક માનવામાં આવે છે.જેમ જેમ બેટરીની ઉર્જા ઘનતા વધે છે તેમ તેમ, જો ઉર્જા અજાણતા છોડવામાં આવે તો બેટરીની સલામતી વધુ જટિલ બની જાય છે.LIB ની આગ અને વિસ્ફોટો સંબંધિત અકસ્માતો વિશ્વભરમાં વારંવાર થાય છે.કેટલાકે માનવ જીવન અને આરોગ્ય માટે ગંભીર ખતરો ઉભો કર્યો છે અને ઉત્પાદકો દ્વારા અસંખ્ય ઉત્પાદન પાછા બોલાવવામાં આવ્યા છે.આ ઘટનાઓ એ રીમાઇન્ડર છે કે બેટરી માટે સલામતી એ પૂર્વશરત છે, અને ઉચ્ચ-ઊર્જા બેટરી સિસ્ટમ્સના ભાવિ એપ્લિકેશન પહેલાં ગંભીર સમસ્યાઓ ઉકેલવાની જરૂર છે.આ સમીક્ષાનો ઉદ્દેશ LIB સલામતી સમસ્યાઓના મૂળના મૂળભૂત બાબતોનો સારાંશ આપવાનો અને LIB સલામતીને સુધારવા માટે સામગ્રી ડિઝાઇનમાં તાજેતરની મુખ્ય પ્રગતિને પ્રકાશિત કરવાનો છે.અમે અપેક્ષા રાખીએ છીએ કે આ સમીક્ષા બેટરી સલામતીમાં વધુ સુધારાને પ્રેરણા આપશે, ખાસ કરીને ઉચ્ચ-ઊર્જા ઘનતા સાથે ઉભરતા LIB માટે.
LIB સુરક્ષા મુદ્દાઓની ઉત્પત્તિ
LIB ની અંદર કાર્બનિક પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ આંતરિક રીતે જ્વલનશીલ છે.LIB સિસ્ટમની સૌથી આપત્તિજનક નિષ્ફળતાઓમાંની એક કેસ્કેડીંગ થર્મલ રનઅવે ઘટના છે, જે બેટરી સલામતીની ચિંતાનું મુખ્ય કારણ માનવામાં આવે છે.સામાન્ય રીતે, થર્મલ રનઅવે ત્યારે થાય છે જ્યારે એક્ઝોથર્મિક પ્રતિક્રિયા નિયંત્રણની બહાર જાય છે.જેમ જેમ બેટરીનું તાપમાન ~80°C થી ઉપર વધે છે તેમ, બેટરીની અંદર એક્ઝોથર્મિક રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દર વધે છે અને કોષને વધુ ગરમ કરે છે, પરિણામે હકારાત્મક પ્રતિક્રિયા ચક્ર થાય છે.સતત વધતા તાપમાનને કારણે આગ અને વિસ્ફોટ થઈ શકે છે, ખાસ કરીને મોટા બેટરી પેક માટે.તેથી, થર્મલ રનઅવેના કારણો અને પ્રક્રિયાઓને સમજવાથી LIB ની સલામતી અને વિશ્વસનીયતા સુધારવા માટે કાર્યાત્મક સામગ્રીની રચનાનું માર્ગદર્શન મળી શકે છે.થર્મલ રનઅવે પ્રક્રિયાને ત્રણ તબક્કામાં વિભાજિત કરી શકાય છે, જેમાં સારાંશ આપવામાં આવ્યો છેફિગ. 1.
ફિગ. 1 થર્મલ રનઅવે પ્રક્રિયા માટે ત્રણ તબક્કા.
સ્ટેજ 1: ઓવરહિટીંગની શરૂઆત.બેટરી સામાન્યથી અસામાન્ય સ્થિતિમાં બદલાય છે અને આંતરિક તાપમાન વધવા લાગે છે.સ્ટેજ 2: ગરમીનું સંચય અને ગેસ છોડવાની પ્રક્રિયા.આંતરિક તાપમાન ઝડપથી વધે છે, અને બેટરી એક્ઝોથર્મલ પ્રતિક્રિયાઓમાંથી પસાર થાય છે.સ્ટેજ 3: કમ્બશન અને વિસ્ફોટ.જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બળે છે, જે આગ અને વિસ્ફોટ તરફ દોરી જાય છે.
ઓવરહિટીંગની શરૂઆત (સ્ટેજ 1)
બેટરી સિસ્ટમના ઓવરહિટીંગથી થર્મલ રનઅવે શરૂ થાય છે.પ્રારંભિક ઓવરહિટીંગ બેટરી ડિઝાઇન કરેલ વોલ્ટેજ (ઓવરચાર્જિંગ), વધુ પડતા તાપમાનના સંપર્કમાં, ખામીયુક્ત વાયરિંગને કારણે બાહ્ય શોર્ટ સર્કિટ અથવા કોષની ખામીને કારણે આંતરિક શોર્ટ સર્કિટના પરિણામે થઈ શકે છે.તેમાંથી, આંતરિક શોર્ટિંગ થર્મલ ભાગદોડનું મુખ્ય કારણ છે અને તેને નિયંત્રિત કરવું પ્રમાણમાં મુશ્કેલ છે.આંતરિક શોર્ટિંગ સેલ ક્રશના સંજોગોમાં થઈ શકે છે જેમ કે બાહ્ય ધાતુના ભંગાર ઘૂંસપેંઠ;વાહન અથડામણ;લિથિયમ ડેંડ્રાઇટનું નિર્માણ ઉચ્ચ વર્તમાન ઘનતાના ચાર્જિંગ હેઠળ, ઓવરચાર્જિંગ સ્થિતિમાં અથવા નીચા તાપમાને;અને બેટરી એસેમ્બલી દરમિયાન બનાવવામાં આવેલ ખામીયુક્ત વિભાજક, થોડા નામ.ઉદાહરણ તરીકે, ઑક્ટોબર 2013ની શરૂઆતમાં, સિએટલ નજીક એક ટેસ્લા કાર ધાતુના કાટમાળ સાથે અથડાઈ જેણે કવચ અને બેટરી પેકને વીંધી નાખ્યું.કાટમાળ પોલિમર વિભાજકોમાં ઘૂસી ગયો અને કેથોડ અને એનોડને સીધો જોડ્યો, જેના કારણે બેટરી શોર્ટ-સર્કિટ થઈ અને આગ લાગી;2016 માં, સેમસંગ નોટ 7 બેટરીમાં આગ આક્રમક રીતે અલ્ટ્રાથિન વિભાજકને કારણે હતી જે સરળતાથી બહારના દબાણથી અથવા પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ પર વેલ્ડિંગ બર્ર્સ દ્વારા નુકસાન થયું હતું, જેના કારણે બેટરી શોર્ટ-સર્કિટ થઈ હતી.
સ્ટેજ 1 દરમિયાન, બેટરી ઓપરેશન સામાન્યથી અસાધારણ સ્થિતિમાં બદલાય છે, અને ઉપર સૂચિબદ્ધ તમામ સમસ્યાઓ બેટરીને વધુ ગરમ થવાનું કારણ બનશે.જ્યારે આંતરિક તાપમાન વધવાનું શરૂ થાય છે, ત્યારે સ્ટેજ 1 સમાપ્ત થાય છે અને સ્ટેજ 2 શરૂ થાય છે.
ગરમીનું સંચય અને ગેસ છોડવાની પ્રક્રિયા (સ્ટેજ 2)
સ્ટેજ 2 શરૂ થતાં, આંતરિક તાપમાન ઝડપથી વધે છે, અને બેટરી નીચેની પ્રતિક્રિયાઓમાંથી પસાર થાય છે (આ પ્રતિક્રિયાઓ ચોક્કસ આપેલા ક્રમમાં થતી નથી; તેમાંથી કેટલીક એક સાથે થઈ શકે છે):
(1) સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ (SEI) ઓવરહિટીંગ અથવા ભૌતિક પ્રવેશને કારણે વિઘટન.SEI સ્તરમાં મુખ્યત્વે સ્થિર (જેમ કે LiF અને Li2CO3) અને મેટાસ્ટેબલ [જેમ કે પોલિમર, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2, અને ROLI] ઘટકોનો સમાવેશ થાય છે.જો કે, મેટાસ્ટેબલ ઘટકો જ્વલનશીલ વાયુઓ અને ઓક્સિજનને મુક્ત કરીને આશરે >90°C તાપમાને એક્સોથેર્મિક રીતે વિઘટિત થઈ શકે છે.ઉદાહરણ તરીકે (CH2OCO2Li)2 લો
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) SEI ના વિઘટન સાથે, તાપમાન વધે છે, અને એનોડમાં લિથિયમ મેટલ અથવા ઇન્ટરકેલેટેડ લિથિયમ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંના કાર્બનિક દ્રાવકો સાથે પ્રતિક્રિયા કરશે, જ્વલનશીલ હાઇડ્રોકાર્બન વાયુઓ (ઇથેન, મિથેન અને અન્ય) મુક્ત કરશે.આ એક એક્ઝોથર્મિક પ્રતિક્રિયા છે જે તાપમાનને વધુ આગળ લઈ જાય છે.
(3) ક્યારેT> ~130°C, પોલિઇથિલિન (PE)/પોલીપ્રોપીલિન (PP) વિભાજક ઓગળવાનું શરૂ કરે છે, જે પરિસ્થિતિને વધુ બગાડે છે અને કેથોડ અને એનોડ વચ્ચે શોર્ટ સર્કિટનું કારણ બને છે.
(4) આખરે, ગરમી લિથિયમ મેટલ ઓક્સાઇડ કેથોડ સામગ્રીના વિઘટનનું કારણ બને છે અને પરિણામે ઓક્સિજન મુક્ત થાય છે.ઉદાહરણ તરીકે LiCoO2 લો, જે નીચે પ્રમાણે ~180°C થી વિઘટિત થઈ શકે છે
કેથોડનું ભંગાણ પણ અત્યંત એક્ઝોથર્મિક છે, જે તાપમાન અને દબાણમાં વધુ વધારો કરે છે અને પરિણામે, પ્રતિક્રિયાઓને વધુ વેગ આપે છે.
સ્ટેજ 2 દરમિયાન, તાપમાન વધે છે અને ઓક્સિજન બેટરીની અંદર એકઠું થાય છે.થર્મલ રનઅવે પ્રક્રિયા સ્ટેજ 2 થી સ્ટેજ 3 સુધી આગળ વધે છે કારણ કે બેટરીના કમ્બશન માટે પૂરતો ઓક્સિજન અને ગરમી એકઠી થાય છે.
કમ્બશન અને વિસ્ફોટ (સ્ટેજ 3)
સ્ટેજ 3 પર, કમ્બશન શરૂ થાય છે.LIB ના ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ કાર્બનિક છે, જે ચક્રીય અને રેખીય આલ્કિલ કાર્બોનેટના લગભગ સાર્વત્રિક સંયોજનો છે.તેઓ ઉચ્ચ અસ્થિરતા ધરાવે છે અને આંતરિક રીતે અત્યંત જ્વલનશીલ છે.ઉદાહરણ તરીકે લોકપ્રિય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા કાર્બોનેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ [ઇથિલિન કાર્બોનેટ (EC) + ડાઇમિથાઇલ કાર્બોનેટ (DMC) (1:1 વજન દ્વારા)]નું મિશ્રણ લેતા, તે ઓરડાના તાપમાને 4.8 kPa નું બાષ્પનું દબાણ અને અત્યંત નીચા ફ્લેશ પોઇન્ટ દર્શાવે છે. 1.013 બારના હવાના દબાણ પર 25° ± 1°C.સ્ટેજ 2 માં પ્રકાશિત ઓક્સિજન અને ગરમી જ્વલનશીલ કાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના દહન માટે જરૂરી શરતો પૂરી પાડે છે, જેનાથી આગ અથવા વિસ્ફોટના જોખમો થાય છે.
તબક્કા 2 અને 3 માં, એક્ઝોથેર્મિક પ્રતિક્રિયાઓ નજીકની-એડિયાબેટિક પરિસ્થિતિઓમાં થાય છે.આમ, એક્સિલરેટેડ રેટ કેલરીમેટ્રી (ARC) એ વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી ટેકનિક છે જે LIB ની અંદરના વાતાવરણનું અનુકરણ કરે છે, જે થર્મલ રનઅવે રિએક્શન ગતિશાસ્ત્રની અમારી સમજણને સરળ બનાવે છે.આકૃતિ 2થર્મલ દુરુપયોગ પરીક્ષણો દરમિયાન રેકોર્ડ કરાયેલ LIB નો લાક્ષણિક ARC વળાંક દર્શાવે છે.સ્ટેજ 2 માં તાપમાનના વધારાનું અનુકરણ કરીને, ગરમીનો બાહ્ય સ્ત્રોત બેટરીના તાપમાનને શરૂઆતના તાપમાન સુધી વધારી દે છે.આ તાપમાનની ઉપર, SEI વિઘટિત થાય છે, જે વધુ એક્ઝોથર્મિક રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને ઉત્તેજિત કરશે.આખરે, વિભાજક ઓગળી જશે.સ્વ-હીટિંગ દર પછીથી વધશે, જે થર્મલ રનઅવે (જ્યારે સ્વ-હીટિંગ દર >10°C/મિનિટ હોય છે) અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કમ્બશન (સ્ટેજ 3) તરફ દોરી જશે.
એનોડ મેસોકાર્બન માઇક્રોબીડ ગ્રેફાઇટ છે.કેથોડ LiNi0.8Co0.05Al0.05O2 છે.EC/PC/DMC માં ઇલેક્ટ્રોલાઇટ 1.2 M LiPF6 છે.સેલગાર્ડ 2325 ટ્રાયલેયર સેપરેટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સોસાયટી ઇન્કની પરવાનગી સાથે અનુકૂલિત.
એ નોંધવું જોઈએ કે ઉપર દર્શાવેલ પ્રતિક્રિયાઓ આપેલ ક્રમમાં એક પછી એક સખત રીતે થતી નથી.તે, તેના બદલે, જટિલ અને વ્યવસ્થિત મુદ્દાઓ છે.
સુધારેલ બેટરી સલામતી સાથેની સામગ્રી
બેટરી થર્મલ રનઅવેની સમજણના આધારે, બેટરીના ઘટકોની તર્કસંગત ડિઝાઇન દ્વારા સલામતીના જોખમોને ઘટાડવાના ઉદ્દેશ્ય સાથે, ઘણા અભિગમોનો અભ્યાસ કરવામાં આવી રહ્યો છે.પછીના વિભાગોમાં, અમે બેટરીની સલામતી સુધારવા, વિવિધ થર્મલ રનઅવે તબક્કાઓને અનુરૂપ સમસ્યાઓ હલ કરવા માટે વિવિધ સામગ્રી અભિગમોનો સારાંશ આપીએ છીએ.
સ્ટેજ 1 માં સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટે (ઓવરહિટીંગની શરૂઆત)
વિશ્વસનીય એનોડ સામગ્રી.LIB ના એનોડ પર લી ડેન્ડ્રાઇટ રચના થર્મલ રનઅવેના પ્રથમ તબક્કાની શરૂઆત કરે છે.જો કે આ સમસ્યા કોમર્શિયલ LIB ના એનોડ્સમાં દૂર કરવામાં આવી છે (ઉદાહરણ તરીકે, કાર્બોનેસિયસ એનોડ), લી ડેંડ્રાઈટની રચના સંપૂર્ણપણે અટકાવવામાં આવી નથી.ઉદાહરણ તરીકે, વાણિજ્યિક LIB માં, જો એનોડ અને કેથોડ્સ સારી રીતે જોડાયેલા ન હોય તો ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડ ધાર પર ડેંડ્રાઇટ ડિપોઝિશન પ્રાધાન્યપૂર્વક થાય છે.વધુમાં, LIB ની અયોગ્ય કામગીરીની સ્થિતિ ડેન્ડ્રાઈટ વૃદ્ધિ સાથે લિ મેટલ ડિપોઝિશનમાં પરિણમી શકે છે.તે જાણીતું છે કે જો બૅટરી ચાર્જ કરવામાં આવે તો ડેન્ડ્રાઇટ સરળતાથી બની શકે છે (i) ઉચ્ચ વર્તમાન ઘનતા પર જ્યાં Li ધાતુનું સંચય જથ્થાબંધ ગ્રેફાઇટમાં લિ આયનોના પ્રસાર કરતાં ઝડપી હોય છે;(ii) જ્યારે ગ્રેફાઇટ વધારે પડતું હોય ત્યારે ઓવરચાર્જિંગની સ્થિતિમાં;અને (iii) નીચા તાપમાને [ઉદાહરણ તરીકે, સબએમ્બિયન્ટ તાપમાન (~0°C)], પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વધેલી સ્નિગ્ધતા અને લિ-આયન પ્રસરણ પ્રતિકારમાં વધારો થવાને કારણે.
સામગ્રીના ગુણધર્મોના દૃષ્ટિકોણથી, એનોડ પર લી ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિની શરૂઆત નક્કી કરતી મૂળ મૂળ અસ્થિર અને બિનસમાન SEI છે, જે અસમાન સ્થાનિક વર્તમાન વિતરણનું કારણ બને છે.ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઘટકો, ખાસ કરીને ઉમેરણો, SEI એકરૂપતા સુધારવા અને Li dendrite રચનાને દૂર કરવા માટે તપાસ કરવામાં આવી છે.લાક્ષણિક ઉમેરણોમાં અકાર્બનિક સંયોજનો [ઉદાહરણ તરીકે, CO2 , LiI , વગેરે.] અને અસંતૃપ્ત કાર્બન બોન્ડ જેવા કે વિનીલીન કાર્બોનેટ અને મેલીમાઇડ ઉમેરણો ધરાવતા કાર્બનિક સંયોજનોનો સમાવેશ થાય છે;અસ્થિર ચક્રીય અણુઓ જેમ કે બ્યુટીરોલેક્ટોન , ઇથિલિન સલ્ફાઇટ , અને તેમના ડેરિવેટિવ્ઝ;અને ફ્લોરિનેટેડ સંયોજનો જેમ કે ફ્લોરોઇથિલિન કાર્બોનેટ, અન્યો વચ્ચે.પાર્ટ્સ-દીઠ-મિલિયન સ્તરે પણ, આ પરમાણુઓ હજુ પણ SEI મોર્ફોલોજીમાં સુધારો કરી શકે છે, આમ લિ-આયન ફ્લક્સને એકરૂપ બનાવે છે અને લિ ડેંડ્રાઇટની રચનાની શક્યતાને દૂર કરે છે.
એકંદરે, લી ડેંડ્રાઇટ પડકારો હજુ પણ ગ્રેફાઇટ અથવા કાર્બોનેસીયસ એનોડ અને સિલિકોન/SiO માં હાજર છે જે નેક્સ્ટ જનરેશન એનોડ ધરાવે છે.લિ ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિના મુદ્દાને હલ કરવો એ એક પડકાર છે જે નજીકના ભવિષ્યમાં ઉચ્ચ-ઊર્જા ઘનતા લિ-આયન રસાયણશાસ્ત્રના અનુકૂલન માટે મહત્વપૂર્ણ છે.એ નોંધવું જોઈએ કે, તાજેતરમાં, લિ ડિપોઝિશન દરમિયાન લિ-આયન ફ્લક્સને એકરૂપ કરીને શુદ્ધ લિ મેટલ એનોડ્સમાં લિ ડેંડ્રાઇટની રચનાના મુદ્દાને ઉકેલવા માટે નોંધપાત્ર પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે;ઉદાહરણ તરીકે, રક્ષણાત્મક સ્તર કોટિંગ, કૃત્રિમ SEI એન્જિનિયરિંગ, વગેરે. આ પાસામાં, કેટલીક પદ્ધતિઓ સંભવતઃ એલઆઈબીમાં કાર્બોનેસિયસ એનોડ પરના મુદ્દાને કેવી રીતે હલ કરવી તેના પર પ્રકાશ પાડી શકે છે.
મલ્ટિફંક્શનલ લિક્વિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને વિભાજક.પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને વિભાજક ઉચ્ચ-ઊર્જા કેથોડ અને એનોડને ભૌતિક રીતે અલગ કરવામાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે.આમ, સારી રીતે ડિઝાઇન કરેલ મલ્ટિફંક્શનલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને વિભાજક બેટરી થર્મલ રનઅવે (સ્ટેજ 1) ના પ્રારંભિક તબક્કે બેટરીને નોંધપાત્ર રીતે સુરક્ષિત કરી શકે છે.
બેટરીને યાંત્રિક ક્રશિંગથી બચાવવા માટે, કાર્બોનેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (EC/DMC માં 1 M LiFP6) માં ફ્યુમ્ડ સિલિકાના સરળ ઉમેરા દ્વારા શીયર જાડું પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મેળવવામાં આવ્યું છે.યાંત્રિક દબાણ અથવા અસર પર, પ્રવાહી સ્નિગ્ધતામાં વધારો સાથે શીયર જાડું થવાની અસર દર્શાવે છે, તેથી અસર ઊર્જાને વિખેરી નાખે છે અને કચડીને સહનશીલતા દર્શાવે છે (ફિગ. 3A)
ફિગ. 3 સ્ટેજ 1 માં સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટેની વ્યૂહરચના.
(A) શીયર જાડું ઇલેક્ટ્રોલાઇટ.ટોચ: સામાન્ય ઇલેક્ટ્રોલાઇટ માટે, યાંત્રિક અસર બેટરી આંતરિક શોર્ટિંગ તરફ દોરી શકે છે, જેના કારણે આગ અને વિસ્ફોટ થાય છે.તળિયે: દબાણ અથવા અસર હેઠળ શીયર જાડું થવાની અસર સાથે નવલકથા સ્માર્ટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કચડીને ઉત્તમ સહનશીલતા દર્શાવે છે, જે બેટરીની યાંત્રિક સલામતીમાં નોંધપાત્ર રીતે સુધારો કરી શકે છે.(B) લિથિયમ ડેંડ્રાઇટ્સની વહેલી શોધ માટે દ્વિ-કાર્યકારી વિભાજક.પરંપરાગત લિથિયમ બેટરીમાં ડેંડ્રાઈટનું નિર્માણ, જ્યાં લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ દ્વારા વિભાજકનો સંપૂર્ણ પ્રવેશ ત્યારે જ શોધી શકાય છે જ્યારે આંતરિક શોર્ટ સર્કિટને કારણે બેટરી નિષ્ફળ જાય છે.સરખામણીમાં, બાયફંક્શનલ સેપરેટર ધરાવતી લિથિયમ બેટરી (બે પરંપરાગત વિભાજકો વચ્ચે સેન્ડવીચ કરેલ વાહક સ્તરનો સમાવેશ થાય છે), જ્યાં વધુ ઉગાડવામાં આવેલ લિથિયમ ડેન્ડ્રાઈટ વિભાજકમાં પ્રવેશ કરે છે અને વાહક કોપર સ્તર સાથે સંપર્ક કરે છે, પરિણામે તેમાં ઘટાડો થાય છે.VCu−Li, જે આંતરિક શોર્ટ સર્કિટને કારણે તોળાઈ રહેલી નિષ્ફળતાની ચેતવણી તરીકે સેવા આપે છે.જો કે, સંપૂર્ણ બેટરી બિનશૂન્ય સંભવિત સાથે સુરક્ષિત રીતે કાર્યરત રહે છે.(A) અને (B) સ્પ્રિંગર નેચરની પરવાનગી સાથે અનુકૂલિત અથવા પુનઃઉત્પાદિત કરવામાં આવ્યા છે.(C) જોખમી લિ ડેન્ડ્રાઇટ્સનો વપરાશ કરવા અને બેટરી જીવન વધારવા માટે ટ્રાયલેયર સેપરેટર.ડાબે: લિથિયમ એનોડ સરળતાથી ડેંડ્રિટિક થાપણો બનાવી શકે છે, જે ધીમે ધીમે મોટી થઈ શકે છે અને નિષ્ક્રિય પોલિમર વિભાજકમાં પ્રવેશ કરી શકે છે.જ્યારે ડેંડ્રાઈટ્સ છેલ્લે કેથોડ અને એનોડને જોડે છે, ત્યારે બેટરી શોર્ટ-સર્ક્યુટ થાય છે અને નિષ્ફળ જાય છે.જમણે: સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ્સનો એક સ્તર વ્યાવસાયિક પોલિમર વિભાજકોના બે સ્તરો દ્વારા સેન્ડવીચ કરવામાં આવ્યો હતો.તેથી, જ્યારે લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ્સ વધે છે અને વિભાજકમાં પ્રવેશ કરે છે, ત્યારે તેઓ સેન્ડવીચ લેયરમાં સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ્સનો સંપર્ક કરશે અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રીતે વપરાશમાં આવશે.(D) સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ સેન્ડવિચ્ડ સેપરેટરની ઈલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપી (SEM) ઈમેજનું સ્કેનિંગ.(E) પરંપરાગત વિભાજક (લાલ વળાંક) અને સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ સેન્ડવિચ્ડ ટ્રાયલેયર સેપરેટર (બ્લેક કર્વ) સાથે સમાન શરતો હેઠળ પરીક્ષણ કરાયેલ લિ/લી બેટરીની લાક્ષણિક વોલ્ટેજ વિરુદ્ધ સમય પ્રોફાઇલ.(C), (D), અને (E) જ્હોન વિલી એન્ડ સન્સની પરવાનગી સાથે પુનઃઉત્પાદિત કરવામાં આવે છે.(એફ) રેડોક્સ શટલ એડિટિવ્સની મિકેનિઝમ્સનું યોજનાકીય ચિત્ર.ઓવરચાર્જ્ડ કેથોડ સપાટી પર, રેડોક્સ એડિટિવને [O] સ્વરૂપમાં ઓક્સિડાઇઝ કરવામાં આવે છે, જે પછીથી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા પ્રસરણ દ્વારા એનોડની સપાટી પર તેની મૂળ સ્થિતિ [R] પર ઘટાડી દેવામાં આવે છે.ઓક્સિડેશન-પ્રસરણ-ઘટાડો-પ્રસરણનું વિદ્યુતરાસાયણિક ચક્ર અનિશ્ચિત સમય માટે જાળવી શકાય છે અને તેથી જોખમી ઓવરચાર્જિંગથી કેથોડ સંભવિતને લૉક કરે છે.(G) રેડોક્સ શટલ એડિટિવ્સની લાક્ષણિક રાસાયણિક રચનાઓ.(H) શટડાઉન ઓવરચાર્જ એડિટિવ્સની મિકેનિઝમ જે ઉચ્ચ સંભવિતતાઓ પર ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પોલિમરાઇઝ કરી શકે છે.(I) શટડાઉન ઓવરચાર્જ એડિટિવ્સની લાક્ષણિક રાસાયણિક રચનાઓ.ઉમેરણોની કાર્યકારી ક્ષમતાઓ (G), (H), અને (I) માં દરેક પરમાણુ બંધારણ હેઠળ સૂચિબદ્ધ છે.
વિભાજક કેથોડ અને એનોડને ઈલેક્ટ્રોનિક રીતે ઇન્સ્યુલેટ કરી શકે છે અને પહેલાના તબક્કા 1માં વધુ બગાડ અટકાવવા માટે સ્થિતિમાં બેટરીના સ્વાસ્થ્યની સ્થિતિનું નિરીક્ષણ કરવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, પોલિમર-મેટલ-પોલિમર ટ્રાયલેયર કન્ફિગરેશન સાથેનું "દ્વિકાર્ય વિભાજક" (ફિગ. 3B) એક નવું વોલ્ટેજ-સેન્સિંગ કાર્ય પ્રદાન કરી શકે છે.જ્યારે ડેંડ્રાઈટ વધે છે અને મધ્યવર્તી સ્તર સુધી પહોંચે છે, ત્યારે તે મેટલ સ્તર અને એનોડને એવી રીતે જોડશે કે તેમની વચ્ચે અચાનક વોલ્ટેજ ડ્રોપ આઉટપુટ તરીકે તરત જ શોધી શકાય છે.
તપાસ ઉપરાંત, એક ટ્રાયલેયર સેપરેટર જોખમી લી ડેંડ્રાઈટ્સનો વપરાશ કરવા અને વિભાજકમાં પ્રવેશ્યા પછી તેમની વૃદ્ધિ ધીમી કરવા માટે બનાવવામાં આવ્યું હતું.સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ્સનો એક સ્તર, કોમર્શિયલ પોલીઓલેફિન વિભાજકોના બે સ્તરો દ્વારા સેન્ડવીચ કરવામાં આવે છે (ફિગ. 3, C અને D), કોઈપણ ઘૂસી જતા જોખમી Li dendrites નો ઉપયોગ કરી શકે છે, આમ બેટરીની સલામતીમાં અસરકારક રીતે સુધારો કરે છે.સંરક્ષિત બેટરીનું જીવન પરંપરાગત વિભાજક (ફિગ. 3E).
ઓવરચાર્જિંગ રક્ષણ.ઓવરચાર્જિંગ એ બેટરીને તેના ડિઝાઇન કરેલ વોલ્ટેજની બહાર ચાર્જ કરવા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે.ઉચ્ચ ચોક્કસ વર્તમાન ઘનતા, આક્રમક ચાર્જિંગ પ્રોફાઇલ્સ, વગેરે દ્વારા ઓવરચાર્જિંગ શરૂ થઈ શકે છે, જે શ્રેણીબદ્ધ સમસ્યાઓ લાવી શકે છે, જેમાં (i) એનોડ પર Li ધાતુના જમા થવાનો સમાવેશ થાય છે, જે બેટરીની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કામગીરી અને સલામતીને ગંભીરપણે અસર કરે છે;(ii) કેથોડ સામગ્રીનું વિઘટન, ઓક્સિજન મુક્ત કરે છે;અને (iii) ઓર્ગેનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું વિઘટન, ગરમી અને વાયુયુક્ત ઉત્પાદનો (H2, હાઇડ્રોકાર્બન, CO, વગેરે) મુક્ત કરે છે, જે થર્મલ રનઅવે માટે જવાબદાર છે.વિઘટન દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓ જટિલ હોય છે, જેમાંથી કેટલીક નીચે સૂચિબદ્ધ છે.
ફૂદડી (*) સૂચવે છે કે હાઇડ્રોજન વાયુ પ્રોટીકમાંથી નીકળે છે, જે કેથોડ પર કાર્બોનેટના ઓક્સિડેશન દરમિયાન પેદા થતા જૂથોને છોડી દે છે, જે પછી એનોડમાં પ્રસરે છે અને H2 પેદા કરે છે.
તેમના કાર્યોમાં તફાવતના આધારે, ઓવરચાર્જ પ્રોટેક્શન એડિટિવ્સને રેડોક્સ શટલ એડિટિવ્સ અને શટડાઉન એડિટિવ્સ તરીકે વર્ગીકૃત કરી શકાય છે.પ્રથમ કોષને ઓવરચાર્જથી ઉલટાવી શકાય તેવું રક્ષણ આપે છે, જ્યારે બાદમાં કોષની કામગીરીને કાયમી ધોરણે સમાપ્ત કરે છે.
રેડોક્સ શટલ એડિટિવ્સ જ્યારે ઓવરચાર્જ થાય ત્યારે બેટરીમાં ઇન્જેક્ટ કરાયેલા વધારાના ચાર્જને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રીતે શન્ટ કરીને કાર્ય કરે છે.માં બતાવ્યા પ્રમાણેફિગ. 3F, મિકેનિઝમ રેડોક્સ એડિટિવ પર આધારિત છે જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એનોડિક વિઘટન કરતા સહેજ ઓછી ઓક્સિડેશન સંભવિત ધરાવે છે.ઓવરચાર્જ્ડ કેથોડ સપાટી પર, રેડોક્સ એડિટિવને [O] સ્વરૂપમાં ઓક્સિડાઇઝ કરવામાં આવે છે, જે પછીથી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા પ્રસરણ પછી એનોડની સપાટી પર તેની મૂળ સ્થિતિ [R] પર ઘટશે.પછીથી, ઘટાડેલ ઉમેરણ કેથોડમાં ફરી પ્રસરી શકે છે, અને "ઓક્સિડેશન-ડિફ્યુઝન-રિડક્શન-ડિફ્યુઝન" નું વિદ્યુતરાસાયણિક ચક્ર અનિશ્ચિત સમય માટે જાળવી શકાય છે અને તેથી વધુ જોખમી ઓવરચાર્જિંગથી કેથોડ સંભવિતને બંધ કરે છે.અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે ઉમેરણોની રેડોક્સ સંભવિતતા કેથોડની સંભવિતતા કરતાં લગભગ 0.3 થી 0.4 V જેટલી હોવી જોઈએ.
સારી રીતે અનુરૂપ રાસાયણિક બંધારણો અને રેડોક્સ સંભવિતતાઓ સાથેના ઉમેરણોની શ્રેણી વિકસાવવામાં આવી છે, જેમાં ઓર્ગેનોમેટાલિક મેટાલોસીન્સ, ફેનોથિયાઝીન્સ, ટ્રિફેનીલામાઈન, ડાયમેથોક્સીબેંઝેન્સ અને તેમના ડેરિવેટિવ્ઝ અને 2-(પેન્ટાફ્લોરોફેનિલ)-ટેટ્રાફ્લોરો-1,3,2-બેન્ઝોડિઓક્સાનો સમાવેશ થાય છે.ફિગ. 3G).મોલેક્યુલર સ્ટ્રક્ચર્સને ટેલર કરીને, એડિટિવ ઓક્સિડેશન પોટેન્શિયલ્સને 4 V થી ઉપર ટ્યુન કરી શકાય છે, જે ઝડપથી વિકસિત ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ કેથોડ સામગ્રી અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ માટે યોગ્ય છે.મૂળભૂત ડિઝાઈન સિદ્ધાંતમાં ઈલેક્ટ્રોન-વિથડ્રોઈંગ અવેજી ઉમેરીને એડિટિવના સૌથી વધુ કબજાવાળા મોલેક્યુલર ઓર્બિટલને ઘટાડવાનો સમાવેશ થાય છે, જે ઓક્સિડેશન સંભવિતમાં વધારો તરફ દોરી જાય છે.કાર્બનિક ઉમેરણો ઉપરાંત, કેટલાક અકાર્બનિક ક્ષાર, જે માત્ર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મીઠું તરીકે જ કામ કરી શકતા નથી પણ રેડોક્સ શટલ તરીકે પણ કામ કરી શકે છે, જેમ કે પરફ્લુરોબોરેન ક્લસ્ટર સોલ્ટ [એટલે કે, લિથિયમ ફ્લોરોડોડેકેબોરેટસ (Li2B12F)xH12−x)], કાર્યક્ષમ રેડોક્સ શટલ એડિટિવ્સ પણ હોવાનું જણાયું છે.
શટડાઉન ઓવરચાર્જ એડિટિવ્સ એ બદલી ન શકાય તેવા ઓવરચાર્જ પ્રોટેક્શન એડિટિવ્સનો વર્ગ છે.તેઓ કાં તો ઉચ્ચ સંભવિતતાઓ પર ગેસ મુક્ત કરીને કાર્ય કરે છે, જે બદલામાં, વર્તમાન અવરોધક ઉપકરણને સક્રિય કરે છે, અથવા આપત્તિજનક પરિણામો આવે તે પહેલાં બેટરીની કામગીરીને સમાપ્ત કરવા માટે ઉચ્ચ સંભવિતતાઓ પર કાયમી ધોરણે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પોલિમરાઇઝેશન દ્વારા કાર્ય કરે છે (ફિગ. 3H).અગાઉના ઉદાહરણોમાં ઝાયલીન, સાયક્લોહેક્સિલબેન્ઝીન અને બાયફિનાઇલનો સમાવેશ થાય છે, જ્યારે બાદના ઉદાહરણોમાં બાયફિનાઇલ અને અન્ય અવેજી સુગંધિત સંયોજનો (ફિગ. 3I).શટડાઉન એડિટિવ્સની નકારાત્મક અસરો હજુ પણ LIB ની લાંબા ગાળાની કામગીરી અને સંગ્રહ કામગીરી છે કારણ કે આ સંયોજનોના અફર ઓક્સિડેશનને કારણે.
સ્ટેજ 2 (ગરમી સંચય અને ગેસ છોડવાની પ્રક્રિયા) માં સમસ્યાઓ હલ કરવા
વિશ્વસનીય કેથોડ સામગ્રી.લિથિયમ સંક્રમણ મેટલ ઓક્સાઇડ, જેમ કે સ્તરીય ઓક્સાઇડ LiCoO2, LiNiO2, અને LiMnO2;સ્પિનલ-પ્રકાર ઓક્સાઇડ LiM2O4;અને પોલિઆનિયન પ્રકાર LiFePO4, લોકપ્રિય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી કેથોડ સામગ્રી છે, જે, જોકે, ખાસ કરીને ઊંચા તાપમાને સલામતી સમસ્યાઓ ધરાવે છે.તેમાંથી, ઓલિવિન-સંરચિત LiFePO4 પ્રમાણમાં સલામત છે, જે 400°C સુધી સ્થિર છે, જ્યારે LiCoO2 250°C પર વિઘટન કરવાનું શરૂ કરે છે.LiFePO4 ની સુધારેલી સલામતીનું કારણ એ છે કે તમામ ઓક્સિજન આયનો PO43− ટેટ્રાહેડ્રલ પોલિઆનિયન્સ બનાવવા માટે P5+ સાથે મજબૂત સહસંયોજક બોન્ડ બનાવે છે, જે સમગ્ર ત્રિ-પરિમાણીય માળખાને સ્થિર કરે છે અને અન્ય કેથોડ સામગ્રીની સરખામણીમાં સુધારેલી સ્થિરતા પ્રદાન કરે છે, જો કે હજુ પણ કેટલાક બેટરી આગ અકસ્માતો નોંધાયા છે.એલિવેટેડ તાપમાને આ કેથોડ સામગ્રીના વિઘટન અને એકસાથે ઓક્સિજન છોડવાથી મુખ્ય સલામતીની ચિંતા ઊભી થાય છે, જે એકસાથે કમ્બશન અને વિસ્ફોટ તરફ દોરી શકે છે, જે બેટરીની સલામતી સાથે ગંભીર ચેડા કરે છે.ઉદાહરણ તરીકે, Ni2+ ના અસ્તિત્વને કારણે સ્તરીય ઓક્સાઇડ LiNiO2 નું સ્ફટિક માળખું અસ્થિર છે, જેનું આયનીય કદ Li+ જેવું જ છે.વિસર્જન કરાયેલ લિxNiO2 (x< 1) વધુ સ્થિર સ્પિનલ-પ્રકાર તબક્કા LiNi2O4 (સ્પિનલ) અને રોકસાલ્ટ-પ્રકાર NiO માં રૂપાંતરિત થાય છે, જેમાં લગભગ 200°C પર પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓક્સિજન છોડવામાં આવે છે, જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કમ્બશન તરફ દોરી જાય છે.
અણુ ડોપિંગ અને સપાટીના રક્ષણાત્મક કોટિંગ્સ દ્વારા આ કેથોડ સામગ્રીની થર્મલ સ્થિરતાને સુધારવા માટે નોંધપાત્ર પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે.
અણુ ડોપિંગ પરિણામી સ્થિર સ્ફટિક રચનાઓને કારણે સ્તરવાળી ઓક્સાઇડ સામગ્રીની થર્મલ સ્થિરતામાં નોંધપાત્ર વધારો કરી શકે છે.LiNiO2 અથવા Li1.05Mn1.95O4 ની થર્મલ સ્થિરતા અન્ય ધાતુના કેશન, જેમ કે Co, Mn, Mg, અને Al સાથે Ni અથવા Mn ના આંશિક અવેજી દ્વારા નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકાય છે.LiCoO2 માટે, ડોપિંગ અને એલોયિંગ તત્વો જેવા કે Ni અને Mnનો પરિચય વિઘટનની શરૂઆતના તાપમાનમાં ભારે વધારો કરી શકે છે.Tdec, જ્યારે ઊંચા તાપમાને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથેની પ્રતિક્રિયાઓને પણ ટાળે છે.જો કે, સામાન્ય રીતે કેથોડ થર્મલ સ્થિરતામાં વધારો ચોક્કસ ક્ષમતામાં બલિદાન સાથે આવે છે.આ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે, સ્તરવાળી લિથિયમ નિકલ કોબાલ્ટ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ પર આધારિત રિચાર્જેબલ લિથિયમ બેટરીઓ માટે એકાગ્રતા-ગ્રેડિયન્ટ કેથોડ સામગ્રી વિકસાવવામાં આવી છે (ફિગ. 4A) .આ સામગ્રીમાં, દરેક કણમાં Ni-સમૃદ્ધ કેન્દ્રીય બલ્ક અને Mn-સમૃદ્ધ બાહ્ય સ્તર હોય છે, જેમાં Ni સાંદ્રતામાં ઘટાડો થાય છે અને Mn અને Co સાંદ્રતા વધે છે જેમ જેમ સપાટી નજીક આવે છે (ફિગ. 4B).પ્રથમ ઉચ્ચ ક્ષમતા પ્રદાન કરે છે, જ્યારે બાદમાં થર્મલ સ્થિરતા સુધારે છે.આ નવલકથા કેથોડ સામગ્રી તેમના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રભાવ સાથે સમાધાન કર્યા વિના બેટરીની સલામતી સુધારવા માટે દર્શાવવામાં આવી હતી (ફિગ. 4C).
ફિગ. 4 સ્ટેજ 2 માં સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટેની વ્યૂહરચનાઓ: વિશ્વસનીય કેથોડ્સ.
(A) એકાગ્રતા-ગ્રેડિયન્ટ બાહ્ય સ્તરથી ઘેરાયેલા Ni-સમૃદ્ધ કોર સાથે હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ કણનું યોજનાકીય રેખાકૃતિ.દરેક કણમાં Ni-સમૃદ્ધ કેન્દ્રીય જથ્થાબંધ Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 અને Mn-સમૃદ્ધ બાહ્ય સ્તર [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] હોય છે જેમાં Ni સાંદ્રતામાં ઘટાડો અને Mn અને Co સાંદ્રતામાં વધારો થાય છે. જેમ જેમ સપાટી નજીક આવે છે.પ્રથમ ઉચ્ચ ક્ષમતા પ્રદાન કરે છે, જ્યારે બાદમાં થર્મલ સ્થિરતામાં સુધારો કરે છે.સરેરાશ રચના Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2 છે.લાક્ષણિક કણનો સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોગ્રાફ પણ જમણી બાજુએ બતાવવામાં આવે છે.(B) અંતિમ લિથિએટેડ ઓક્સાઇડ Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2 ના ઇલેક્ટ્રોન-પ્રોબ એક્સ-રે માઇક્રોએનાલિસિસ પરિણામો.ઇન્ટરલેયરમાં Ni, Mn અને Co ના ક્રમિક સાંદ્રતા ફેરફારો સ્પષ્ટ છે.Ni સાંદ્રતા ઘટે છે, અને Co અને Mn સાંદ્રતા સપાટી તરફ વધે છે.(C) ડિફરન્શિયલ સ્કેનિંગ કેલરીમેટ્રી (DSC) નિશાનો ઇલેક્ટ્રોલાઇટની પ્રતિક્રિયામાંથી ઉષ્મા પ્રવાહ દર્શાવે છે જે એકાગ્રતા-ગ્રેડિયન્ટ સામગ્રી Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, ની-સમૃદ્ધ કેન્દ્રીય સામગ્રી Li(Ni0.8Co0.1Mn0. 1)O2, અને Mn-સમૃદ્ધ બાહ્ય સ્તર [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].સામગ્રીનો ચાર્જ 4.3 V. (A), (B), અને (C) સ્પ્રિંગર નેચરની પરવાનગી સાથે પુનઃઉત્પાદિત કરવામાં આવ્યો છે.(D) ડાબે: ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) AlPO4 નેનોપાર્ટિકલ-કોટેડ LiCoO2 ની તેજસ્વી-ક્ષેત્રની છબી;એનર્જી ડિસ્પર્સિવ એક્સ-રે સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી કોટિંગ લેયરમાં Al અને P ઘટકોની પુષ્ટિ કરે છે.જમણે: નેનોસ્કેલ કોટિંગ લેયરમાં AlPO4 નેનોપાર્ટિકલ્સ (~3 nm વ્યાસ) દર્શાવતી ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન TEM છબી;તીરો AlPO4 સ્તર અને LiCoO2 વચ્ચેના ઇન્ટરફેસને દર્શાવે છે.(E) ડાબે: 12-V ઓવરચાર્જ ટેસ્ટ પછી એકદમ LiCoO2 કેથોડ ધરાવતા કોષનું ચિત્ર.તે વોલ્ટેજ પર કોષ બળી ગયો અને વિસ્ફોટ થયો.જમણે: 12-V ઓવરચાર્જ ટેસ્ટ પછી AlPO4 નેનોપાર્ટિકલ-કોટેડ LiCoO2 ધરાવતા કોષનું ચિત્ર.(D) અને (E) જ્હોન વિલી એન્ડ સન્સની પરવાનગી સાથે પુનઃઉત્પાદિત કરવામાં આવે છે.
થર્મલ સ્થિરતા સુધારવા માટેની બીજી વ્યૂહરચના એ છે કે કેથોડ સામગ્રીને થર્મલી સ્થિર Li+ વાહક સંયોજનોના રક્ષણાત્મક પાતળા સ્તર સાથે કોટ કરવી, જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે કેથોડ સામગ્રીના સીધા સંપર્કને અટકાવી શકે છે અને આમ બાજુની પ્રતિક્રિયાઓ અને ગરમીનું ઉત્પાદન ઘટાડી શકે છે.કોટિંગ્સ ક્યાં તો અકાર્બનિક ફિલ્મો હોઈ શકે છે [ઉદાહરણ તરીકે, ZnO , Al2O3, AlPO4 , AlF3 , વગેરે.], જે લિથિયેટ થયા પછી લિ આયનો વહન કરી શકે છે (ફિગ. 4, ડી અને ઇ), અથવા ઓર્ગેનિક ફિલ્મો, જેમ કે પોલી(ડાયલીલ્ડીમેથાઈલમોનિયમ ક્લોરાઈડ), γ-બ્યુટીરોલેક્ટોન એડિટિવ્સ દ્વારા રચાયેલી રક્ષણાત્મક ફિલ્મો અને મલ્ટીકમ્પોનન્ટ એડિટિવ્સ (વિનાલીન કાર્બોનેટ, 1,3-પ્રોપીલીન સલ્ફાઈટ અને ડાયમેથાઈલસેટામાઈડનો સમાવેશ થાય છે)
સકારાત્મક તાપમાન ગુણાંક સાથે કોટિંગની રજૂઆત કેથોડ સલામતી વધારવા માટે પણ અસરકારક છે.ઉદાહરણ તરીકે, પોલી(3-ડીસીલ્થિઓફીન)-કોટેડ LiCoO2 કેથોડ્સ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓ અને બાજુની પ્રતિક્રિયાઓને બંધ કરી શકે છે એકવાર તાપમાન >80°C સુધી વધે, કારણ કે વાહક પોલિમર સ્તર અત્યંત પ્રતિરોધક સ્થિતિમાં ઝડપથી પરિવર્તિત થઈ શકે છે.હાઇપર-બ્રાન્ચ્ડ આર્કિટેક્ચર સાથે સ્વ-ટર્મિનેટેડ ઓલિગોમર્સના કોટિંગ્સ કેથોડ બાજુથી બેટરીને બંધ કરવા માટે થર્મલી રિસ્પોન્સિવ બ્લોકિંગ લેયર તરીકે પણ કાર્ય કરી શકે છે.
થર્મલી સ્વિચ કરી શકાય તેવું વર્તમાન કલેક્ટર.સ્ટેજ 2 પર બેટરીના તાપમાનમાં વધારો દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓને બંધ કરવાથી તાપમાનને વધુ વધતા અટકાવી શકાય છે.વર્તમાન કલેક્ટર (ફિગ. 5A) .TRPS પાતળી ફિલ્મમાં વાહક ફિલર તરીકે વાહક ગ્રાફીન-કોટેડ સ્પાઇકી નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ નિકલ (GrNi) કણો અને મોટા થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક (α ~ 10−4 K−1) સાથે PE મેટ્રિક્સનો સમાવેશ થાય છે.એઝ-ફેબ્રિકેટેડ પોલિમર કમ્પોઝિટ ફિલ્મો ઓરડાના તાપમાને ઉચ્ચ વાહકતા (σ) દર્શાવે છે, પરંતુ જ્યારે તાપમાન સ્વિચિંગ તાપમાનની નજીક આવે છે (Ts), પોલિમર વોલ્યુમ વિસ્તરણના પરિણામે 1 સે.ની અંદર વાહકતા સાતથી આઠ ક્રમની તીવ્રતામાં ઘટે છે, જે વાહક કણોને અલગ કરે છે અને વાહક માર્ગો તોડે છે (ફિગ. 5B).ફિલ્મ તરત જ ઇન્સ્યુલેટીંગ બની જાય છે અને આમ બેટરી ઓપરેશનને સમાપ્ત કરે છે (ફિગ. 5C).આ પ્રક્રિયા અત્યંત ઉલટાવી શકાય તેવી છે અને કામગીરી સાથે સમાધાન કર્યા વિના બહુવિધ ઓવરહિટીંગ ઘટનાઓ પછી પણ કાર્ય કરી શકે છે.
ફિગ. 5 સ્ટેજ 2 માં સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટેની વ્યૂહરચના.
(A) TRPS વર્તમાન કલેક્ટરની થર્મલ સ્વિચિંગ મિકેનિઝમનું યોજનાકીય ચિત્ર.સુરક્ષિત બેટરીમાં એક અથવા બે વર્તમાન કલેક્ટર્સ પાતળા TRPS સ્તર સાથે કોટેડ હોય છે.તે સામાન્ય રીતે ઓરડાના તાપમાને કાર્ય કરે છે.જો કે, ઉચ્ચ તાપમાન અથવા મોટા પ્રવાહના કિસ્સામાં, પોલિમર મેટ્રિક્સ વિસ્તરે છે, આમ વાહક કણોને અલગ કરે છે, જે તેની વાહકતા ઘટાડી શકે છે, તેની પ્રતિકારકતામાં નોંધપાત્ર વધારો કરી શકે છે અને બેટરી બંધ કરી શકે છે.બેટરીનું માળખું આમ નુકસાન વિના સુરક્ષિત કરી શકાય છે.ઠંડક પર, પોલિમર સંકોચાય છે અને મૂળ વાહક માર્ગો પાછો મેળવે છે.(B) તાપમાનના કાર્ય તરીકે વિવિધ TRPS ફિલ્મોની પ્રતિકારકતા ફેરફારો, જેમાં વિવિધ GrNi લોડિંગ સાથે PE/GrNi અને GrNi ના 30% (v/v) લોડિંગ સાથે PP/GrNiનો સમાવેશ થાય છે.(C) 25°C અને શટડાઉન વચ્ચે સુરક્ષિત LiCoO2 બેટરી સાયકલ ચલાવવાની ક્ષમતાનો સારાંશ.70°C પર લગભગ શૂન્ય ક્ષમતા સંપૂર્ણ શટડાઉન સૂચવે છે.(A), (B), અને (C) સ્પ્રિંગર નેચરની પરવાનગી સાથે પુનઃઉત્પાદિત કરવામાં આવે છે.(D) LIBs માટે માઇક્રોસ્ફિયર-આધારિત શટડાઉન ખ્યાલની યોજનાકીય રજૂઆત.ઇલેક્ટ્રોડ્સ થર્મોસ્પોન્સિવ માઇક્રોસ્ફિયર્સ સાથે કાર્યરત છે જે, મહત્વપૂર્ણ આંતરિક બેટરી તાપમાનની ઉપર, થર્મલ સંક્રમણ (ઓગળે) પસાર થાય છે.પીગળેલા કેપ્સ્યુલ્સ ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર કોટ કરે છે, આયનીય રીતે ઇન્સ્યુલેટીંગ અવરોધ બનાવે છે અને બેટરી સેલને બંધ કરે છે.(E) 94% એલ્યુમિના કણો અને 6% સ્ટાયરીન-બ્યુટાડિયન રબર (SBR) બાઈન્ડરથી બનેલું પાતળું અને સ્વ-સ્થાયી અકાર્બનિક સંયુક્ત પટલ સોલ્યુશન કાસ્ટિંગ પદ્ધતિ દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવ્યું હતું.જમણે: અકાર્બનિક સંયુક્ત વિભાજક અને PE વિભાજકની થર્મલ સ્થિરતા દર્શાવતા ફોટોગ્રાફ્સ.વિભાજકને 40 મિનિટ માટે 130 ° સે પર રાખવામાં આવ્યા હતા.ડોટેડ ચોરસ સાથેના વિસ્તારમાંથી PE નોંધપાત્ર રીતે સંકોચાઈ ગયો.જો કે, સંયુક્ત વિભાજકે સ્પષ્ટ સંકોચન દર્શાવ્યું નથી.Elsevier ની પરવાનગી સાથે પુનઃઉત્પાદિત.(F) નીચા ઉચ્ચ-તાપમાન સંકોચન સાથે વિભાજક સામગ્રી તરીકે કેટલાક ઉચ્ચ-ગલન તાપમાન પોલિમરનું પરમાણુ માળખું.ટોચ: પોલિમાઇડ (PI).મધ્ય: સેલ્યુલોઝ.બોટમ: પોલી(બ્યુટીલીન) ટેરેફ્થાલેટ.(G) ડાબે: PE અને PP વિભાજક સાથે PI ના DSC સ્પેક્ટ્રાની સરખામણી;PI વિભાજક 30° થી 275°C સુધીના તાપમાનની શ્રેણીમાં ઉત્તમ થર્મલ સ્થિરતા દર્શાવે છે.જમણે: વ્યાવસાયિક વિભાજકની ભીની ક્ષમતા અને પ્રોપીલીન કાર્બોનેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે સંશ્લેષિત PI વિભાજકની તુલના કરતા ડિજિટલ કેમેરા ફોટા.અમેરિકન કેમિકલ સોસાયટીની પરવાનગી સાથે પુનઃઉત્પાદિત.
થર્મલ શટડાઉન વિભાજક.સ્ટેજ 2 દરમિયાન બેટરીને થર્મલ રનઅવેથી અટકાવવાની બીજી વ્યૂહરચના એ વિભાજક દ્વારા લિ આયનોના વહન માર્ગને બંધ કરવાનો છે.વિભાજકો એ LIB ની સલામતી માટેના મુખ્ય ઘટકો છે, કારણ કે તેઓ ઉચ્ચ-ઊર્જા કેથોડ અને એનોડ સામગ્રી વચ્ચે સીધા વિદ્યુત સંપર્કને અટકાવે છે જ્યારે આયનીય પરિવહનને મંજૂરી આપે છે.PP અને PE એ સૌથી સામાન્ય રીતે વપરાતી સામગ્રી છે, પરંતુ તેમની થર્મલ સ્થિરતા નબળી છે, અનુક્રમે ~165° અને ~135°Cના ગલનબિંદુઓ સાથે.વાણિજ્યિક LIB માટે, PP/PE/PP ટ્રાયલેયર સ્ટ્રક્ચરવાળા વિભાજકોનું પહેલેથી જ વ્યાપારીકરણ કરવામાં આવ્યું છે, જ્યાં PE એ રક્ષણાત્મક મધ્યમ સ્તર છે.જ્યારે બેટરીનું આંતરિક તાપમાન નિર્ણાયક તાપમાન (~130°C) કરતા વધી જાય છે, ત્યારે છિદ્રાળુ PE સ્તર આંશિક રીતે ઓગળે છે, ફિલ્મના છિદ્રોને બંધ કરે છે અને પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં આયનોના સ્થાનાંતરણને અટકાવે છે, જ્યારે PP સ્તર આંતરિક ટાળવા માટે યાંત્રિક આધાર પૂરો પાડે છે. શોર્ટિંગવૈકલ્પિક રીતે, બેટરી એનોડ અથવા વિભાજકના રક્ષણાત્મક સ્તર તરીકે થર્મોરેસ્પોન્સિવ PE અથવા પેરાફિન વેક્સ માઇક્રોસ્ફીયરનો ઉપયોગ કરીને LIB નું થર્મલી પ્રેરિત શટડાઉન પણ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.જ્યારે આંતરિક બેટરીનું તાપમાન નિર્ણાયક મૂલ્ય સુધી પહોંચે છે, ત્યારે માઇક્રોસ્ફિયર્સ એનોડ/વિભાજકને અભેદ્ય અવરોધ સાથે ઓગળે છે અને કોટ કરે છે, લિ-આયન પરિવહનને અટકાવે છે અને કોષને કાયમ માટે બંધ કરે છે (ફિગ. 5D).
ઉચ્ચ થર્મલ સ્થિરતા સાથે વિભાજક.બેટરી વિભાજકની થર્મલ સ્થિરતાને સુધારવા માટે, છેલ્લા ઘણા વર્ષો દરમિયાન બે અભિગમો વિકસાવવામાં આવ્યા છે:
(1) સિરામિક-ઉન્નત વિભાજક, હાલની પોલિઓલેફિન વિભાજક સપાટીઓ પર સીધા કોટિંગ દ્વારા અથવા SiO2 અને Al2O3 જેવા સિરામિક સ્તરોની સપાટી પર વૃદ્ધિ દ્વારા અથવા પોલિમરીક સામગ્રીમાં સિરામિક પાવડર જડિત કરીને બનાવવામાં આવે છે (ફિગ. 5E), ખૂબ ઊંચા ગલનબિંદુઓ અને ઉચ્ચ યાંત્રિક શક્તિ દર્શાવે છે અને તે પ્રમાણમાં ઊંચી ઉષ્મીય વાહકતા પણ ધરાવે છે.આ વ્યૂહરચના દ્વારા બનાવાયેલ કેટલાક સંયુક્ત વિભાજકોનું વ્યાપારીકરણ કરવામાં આવ્યું છે, જેમ કે સેપરિયન (એક વેપારનું નામ).
(2) વિભાજક સામગ્રીને પોલિઓલેફિનથી ઉચ્ચ-ગલન તાપમાન પોલિમરમાં બદલવું એ ગરમ થવા પર નીચા સંકોચન સાથે, જેમ કે પોલિમાઇડ, સેલ્યુલોઝ, પોલી(બ્યુટીલીન) ટેરેફથાલેટ અને અન્ય સમાન પોલી(એસ્ટર્સ), થર્મલ સ્થિરતા સુધારવા માટે અન્ય અસરકારક વ્યૂહરચના છે. વિભાજકોનું (ફિગ. 5F).ઉદાહરણ તરીકે, પોલિમાઇડ એ થર્મોસેટિંગ પોલિમર છે જે તેની ઉત્કૃષ્ટ થર્મલ સ્થિરતા (400 ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુ સ્થિર), સારી રાસાયણિક પ્રતિકાર, ઉચ્ચ તાણ શક્તિ, સારી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ભીનાશતા અને જ્યોત મંદતાના કારણે વ્યાપકપણે આશાસ્પદ વિકલ્પ તરીકે ગણવામાં આવે છે.ફિગ. 5G) .
ઠંડક કાર્ય સાથે બેટરી પેકેજો.હવાના પરિભ્રમણ અથવા પ્રવાહી ઠંડક દ્વારા સક્ષમ ઉપકરણ-સ્કેલ થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સનો ઉપયોગ બેટરીની કામગીરીને સુધારવા અને તાપમાનના વધારાને ધીમો કરવા માટે કરવામાં આવે છે.વધુમાં, ફેઝ-ચેન્જ સામગ્રી જેમ કે પેરાફિન મીણને તેમના તાપમાનને નિયંત્રિત કરવા માટે હીટ સિંક તરીકે કામ કરવા માટે બેટરી પેકમાં એકીકૃત કરવામાં આવી છે, તેથી તાપમાનનો દુરુપયોગ ટાળવો.
સ્ટેજ 3 (દહન અને વિસ્ફોટ) માં સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટે
"અગ્નિ ત્રિકોણ" તરીકે ઓળખાતા ગરમી, ઓક્સિજન અને બળતણ મોટાભાગની આગ માટે જરૂરી ઘટકો છે.તબક્કા 1 અને 2 દરમિયાન ઉત્પન્ન થતી ગરમી અને ઓક્સિજનના સંચય સાથે, બળતણ (એટલે કે, અત્યંત જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ) આપમેળે જ્વલન કરવાનું શરૂ કરશે.ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સોલવન્ટ્સની જ્વલનક્ષમતા ઘટાડવી એ બેટરીની સલામતી અને LIB ના વધુ મોટા પાયે ઉપયોગ માટે મહત્વપૂર્ણ છે.
જ્યોત-રિટાડન્ટ ઉમેરણો.પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની જ્વલનક્ષમતા ઘટાડવા માટે જ્યોત-રિટાડન્ટ એડિટિવ્સના વિકાસ માટે જબરદસ્ત સંશોધન પ્રયાસો સમર્પિત કરવામાં આવ્યા છે.પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં વપરાતા મોટાભાગના જ્યોત-રિટાર્ડન્ટ ઉમેરણો કાર્બનિક ફોસ્ફરસ સંયોજનો અથવા કાર્બનિક હેલોજેનેટેડ સંયોજનો પર આધારિત છે.હેલોજન પર્યાવરણ અને માનવ સ્વાસ્થ્ય માટે જોખમી હોવાથી, કાર્બનિક ફોસ્ફરસ સંયોજનો જ્યોત-રિટાડન્ટ ઉમેરણો તરીકે વધુ આશાસ્પદ ઉમેદવારો છે કારણ કે તેમની ઉચ્ચ જ્યોત-મંદી ક્ષમતા અને પર્યાવરણીય મિત્રતાને કારણે.લાક્ષણિક કાર્બનિક ફોસ્ફરસ સંયોજનોમાં ટ્રાઈમેથાઈલ ફોસ્ફેટ, ટ્રાઈફેનાઈલ ફોસ્ફેટ, બીઆઈએસ(2-મેથોક્સીથોક્સી)મેથાઈલલીલફોસ્ફોનેટ , ટ્રિસ(2,2,2-ટ્રાઈફ્લુરોઈથિલ) ફોસ્ફાઈટ, (ઈથોક્સી)પેન્ટાફ્લોરોસાયક્લોટ્રિફોસીન, ફોસ્ફાઈટ વગેરેનો સમાવેશ થાય છે.ફિગ. 6A).આ ફોસ્ફરસ-સમાવતી સંયોજનોની જ્યોત મંદતા અસરો માટેની પદ્ધતિ સામાન્ય રીતે રાસાયણિક રેડિકલ-સ્કેવેન્જિંગ પ્રક્રિયા હોવાનું માનવામાં આવે છે.કમ્બશન દરમિયાન, ફોસ્ફરસ ધરાવતા પરમાણુઓ ફોસ્ફરસ ધરાવતી ફ્રી-રેડિકલ પ્રજાતિઓમાં વિઘટિત થઈ શકે છે, જે પછી સાંકળ પ્રતિક્રિયા પ્રચાર દરમિયાન ઉત્પન્ન થતા રેડિકલ (ઉદાહરણ તરીકે, H અને OH રેડિકલ)ને સમાપ્ત કરી શકે છે જે સતત કમ્બશન માટે જવાબદાર છે.ફિગ. 6, B અને C) .કમનસીબે, આ ફોસ્ફરસ-સમાવતી જ્યોત રેટાડન્ટ્સના ઉમેરા સાથે જ્વલનશીલતામાં ઘટાડો ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કામગીરીના ખર્ચે આવે છે.આ ટ્રેડ-ઓફને સુધારવા માટે, અન્ય સંશોધકોએ તેમના પરમાણુ બંધારણમાં કેટલાક ફેરફારો કર્યા છે: (i) અલ્કિલ ફોસ્ફેટ્સનું આંશિક ફ્લોરિનેશન તેમની ઘટાડાયુક્ત સ્થિરતા અને તેમની જ્યોત મંદતાની અસરકારકતામાં સુધારો કરી શકે છે;(ii) bis(2-methoxyethoxy)methylallylphosphonate જેવા બંને રક્ષણાત્મક ફિલ્મ-રચના અને જ્યોત-પ્રતિરોધક ગુણધર્મો ધરાવતા સંયોજનોનો ઉપયોગ, જ્યાં એલીલિક જૂથો પોલિમરાઇઝ કરી શકે છે અને ગ્રેફાઇટ સપાટી પર સ્થિર SEI ફિલ્મ બનાવી શકે છે, આમ અસરકારક રીતે જોખમી બાજુઓને અટકાવે છે. પ્રતિક્રિયાઓ;(iii) P(V) ફોસ્ફેટનું P(III) ફોસ્ફાઈટમાં પરિવર્તન, જે SEI ની રચનાને સરળ બનાવે છે અને જોખમી PF5 ને નિષ્ક્રિય કરવામાં સક્ષમ છે [ઉદાહરણ તરીકે, ટ્રિસ(2,2,2-ટ્રાઈફ્લુરોઈથિલ) ફોસ્ફાઈટ];અને (iv) ઓર્ગેનોફોસ્ફરસ ઉમેરણોને ચક્રીય ફોસ્ફેઝીન સાથે બદલીને, ખાસ કરીને ફ્લોરિનેટેડ સાયક્લોફોસ્ફેઝીન, જેણે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સુસંગતતામાં વધારો કર્યો છે.
ફિગ. 6 સ્ટેજ 3 માં સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટેની વ્યૂહરચના.
(A) જ્યોત-રિટાડન્ટ એડિટિવ્સની લાક્ષણિક મોલેક્યુલર રચનાઓ.(B) આ ફોસ્ફરસ-સમાવતી સંયોજનોની જ્યોત મંદતા અસરો માટેની પદ્ધતિ સામાન્ય રીતે રાસાયણિક રેડિકલ-સ્કેવેન્જિંગ પ્રક્રિયા હોવાનું માનવામાં આવે છે, જે ગેસ તબક્કામાં કમ્બશન પ્રતિક્રિયા માટે જવાબદાર આમૂલ સાંકળ પ્રતિક્રિયાઓને સમાપ્ત કરી શકે છે.ટીપીપી, ટ્રાઇફેનાઇલ ફોસ્ફેટ.(C) લાક્ષણિક કાર્બોનેટ ઈલેક્ટ્રોલાઈટનો સેલ્ફ-એક્સટીંગ્યુશ ટાઈમ (SET) ટ્રિફેનાઈલ ફોસ્ફેટના ઉમેરા સાથે નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી શકાય છે.(D) LIBs માટે થર્મલ-ટ્રિગર્ડ ફ્લેમ-રિટાડન્ટ ગુણધર્મો સાથે "સ્માર્ટ" ઇલેક્ટ્રોસ્પન વિભાજકની યોજનાકીય.ફ્રી-સ્ટેન્ડિંગ સેપરેટર કોર-શેલ સ્ટ્રક્ચર સાથે માઇક્રોફાઇબર્સથી બનેલું છે, જ્યાં જ્યોત રિટાડન્ટ કોર છે અને પોલિમર શેલ છે.થર્મલ ટ્રિગરિંગ પર, પોલિમર શેલ પીગળી જાય છે અને પછી એન્કેપ્સ્યુલેટેડ ફ્લેમ રિટાડન્ટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં મુક્ત થાય છે, આમ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની ઇગ્નીશન અને બર્નિંગને અસરકારક રીતે દબાવી દે છે.(E) એચીંગ કર્યા પછી TPP@PVDF-HFP માઇક્રોફાઇબર્સની SEM ઇમેજ સ્પષ્ટપણે તેમની કોર-શેલ રચના દર્શાવે છે.સ્કેલ બાર, 5 μm.(F) LIBs માટે બિન-જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાતા ઓરડાના તાપમાને આયનીય પ્રવાહીની લાક્ષણિક મોલેક્યુલર રચનાઓ.(G) PFPE નું મોલેક્યુલર માળખું, બિન-જ્વલનશીલ પરફ્લોરિનેટેડ PEO એનાલોગ.વર્તમાન બેટરી સિસ્ટમો સાથેના પરમાણુઓની સુસંગતતા સુનિશ્ચિત કરવા માટે પોલિમર ચેઈન્સના ટર્મિનલ્સ પર બે મિથાઈલ કાર્બોનેટ જૂથોમાં ફેરફાર કરવામાં આવે છે.
એ નોંધવું જોઈએ કે સૂચિબદ્ધ ઉમેરણો માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇટની ઘટેલી જ્વલનક્ષમતા અને કોષની કામગીરી વચ્ચે હંમેશા ટ્રેડ-ઓફ હોય છે, જો કે ઉપરોક્ત પરમાણુ ડિઝાઇન દ્વારા આ સમાધાનમાં સુધારો કરવામાં આવ્યો છે.આ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે અન્ય સૂચિત વ્યૂહરચના માઇક્રોફાઇબર્સના રક્ષણાત્મક પોલિમર શેલની અંદર જ્યોત રેટાડન્ટનો સમાવેશ કરે છે, જે બિન-વણાયેલા વિભાજક (ફિગ. 6D) .LIBs માટે થર્મલ-ટ્રિગર્ડ ફ્લેમ-રિટાડન્ટ ગુણધર્મો સાથે નવલકથા ઇલેક્ટ્રોસ્પન નોનવોવન માઇક્રોફાઇબર વિભાજક બનાવવામાં આવ્યું હતું.રક્ષણાત્મક પોલિમર શેલની અંદર જ્યોત રેટાડન્ટનું એન્કેપ્સ્યુલેશન ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં જ્યોત રેટાડન્ટના સીધા સંપર્કમાં આવતા અટકાવે છે, બેટરીના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રદર્શન પર રેટાડન્ટ્સની નકારાત્મક અસરોને અટકાવે છે (ફિગ. 6E).જો કે, જો LIB બેટરીનો થર્મલ રનઅવે થાય છે, તો પોલી(vinylidenefluoride-hexafluoro propylene) copolymer (PVDF-HFP) શેલ તાપમાન વધવાથી ઓગળી જશે.પછી એન્કેપ્સ્યુલેટેડ ટ્રાઇફેનાઇલ ફોસ્ફેટ ફ્લેમ રિટાડન્ટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં છોડવામાં આવશે, આમ અત્યંત જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના કમ્બશનને અસરકારક રીતે દબાવી દેશે.
આ મૂંઝવણને ઉકેલવા માટે "મીઠું કેન્દ્રિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ" ખ્યાલ પણ વિકસાવવામાં આવ્યો હતો.રિચાર્જ કરી શકાય તેવી બેટરીઓ માટે આ અગ્નિશામક કાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં મીઠું તરીકે LiN(SO2F)2 અને એકમાત્ર દ્રાવક તરીકે ટ્રાઇમેથાઇલ ફોસ્ફેટ (TMP) નું લોકપ્રિય જ્યોત રિટાડન્ટ હોય છે.સ્થિર ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કામગીરી માટે એનોડ પર મજબૂત મીઠું-પ્રાપ્ત અકાર્બનિક SEI ની સ્વયંસ્ફુરિત રચના નિર્ણાયક છે.આ નવતર વ્યૂહરચના અન્ય વિવિધ જ્યોત રિટાડન્ટ્સ સુધી વિસ્તારી શકાય છે અને સુરક્ષિત LIB માટે નવા ફ્લેમ-રિટાડન્ટ સોલવન્ટ્સ વિકસાવવા માટે એક નવો માર્ગ ખોલી શકે છે.
બિન-જ્વલનશીલ પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ.ઇલેક્ટ્રોલાઇટની સલામતી સમસ્યાઓનો અંતિમ ઉકેલ આંતરિક રીતે બિન-જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ વિકસાવવા માટે હશે.બિન-જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનું એક જૂથ જેનો વ્યાપકપણે અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે તે આયનીય પ્રવાહી છે, ખાસ કરીને ઓરડાના તાપમાને આયનીય પ્રવાહી, જે બિન-અસ્થિર છે (200 ° સે નીચે વરાળનું દબાણ શોધી શકાતું નથી) અને બિન-જ્વલનશીલ છે અને વિશાળ તાપમાન વિન્ડો ધરાવે છે (ફિગ. 6F) .જો કે, તેમની ઊંચી સ્નિગ્ધતા, નીચી લિ ટ્રાન્સફરન્સ નંબર, કેથોડિક અથવા રિડક્ટિવ અસ્થિરતા અને આયનીય પ્રવાહીની ઊંચી કિંમતને કારણે ઉદ્ભવતા નીચા દરની ક્ષમતાના મુદ્દાઓને ઉકેલવા માટે સતત સંશોધન હજુ પણ જરૂરી છે.
લો-મોલેક્યુલર વેઇટ હાઇડ્રોફ્લોરોઇથર્સ બિન-જ્વલનશીલ પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો બીજો વર્ગ છે કારણ કે તેમના ઉચ્ચ અથવા કોઈ ફ્લેશ પોઇન્ટ નથી, બિન-જ્વલનક્ષમતા, નીચી સપાટી તણાવ, ઓછી સ્નિગ્ધતા, નીચું ઠંડું તાપમાન વગેરે.બેટરી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના માપદંડોને પૂર્ણ કરવા માટે તેમના રાસાયણિક ગુણધર્મોને અનુકૂલિત કરવા માટે યોગ્ય મોલેક્યુલર ડિઝાઇન બનાવવી જોઈએ.એક રસપ્રદ ઉદાહરણ જે તાજેતરમાં નોંધવામાં આવ્યું છે તે છે પરફ્લુરોપોલિએથર (PFPE), એક પરફ્લોરિનેટેડ પોલિઇથિલિન ઓક્સાઇડ (PEO) એનાલોગ જે તેની બિન-જ્વલનક્ષમતા માટે જાણીતું છે.ફિગ. 6જી) .વર્તમાન બેટરી સિસ્ટમો સાથેના પરમાણુઓની સુસંગતતા સુનિશ્ચિત કરવા PFPE સાંકળોના ટર્મિનલ જૂથો (PFPE-DMC) પર બે મિથાઈલ કાર્બોનેટ જૂથોને સંશોધિત કરવામાં આવ્યા છે.આમ, PFPEs ની બિન-જ્વલનક્ષમતા અને થર્મલ સ્થિરતા LIB ની સલામતીમાં નોંધપાત્ર સુધારો કરી શકે છે જ્યારે અનન્ય મોલેક્યુલર સ્ટ્રક્ચર ડિઝાઇનને કારણે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ટ્રાન્સફરન્સ નંબરમાં વધારો કરે છે.
સ્ટેજ 3 એ થર્મલ રનઅવે પ્રક્રિયા માટે અંતિમ પરંતુ ખાસ કરીને નિર્ણાયક તબક્કો છે.એ નોંધવું જોઈએ કે અદ્યતન લિક્વિડ ઈલેક્ટ્રોલાઈટની જ્વલનક્ષમતા ઘટાડવા માટે મહાન પ્રયાસો સમર્પિત હોવા છતાં, નૉન-વોલેટાઈલ એવા સોલિડ-સ્ટેટ ઈલેક્ટ્રોલાઈટ્સનો ઉપયોગ મહાન વચન દર્શાવે છે.સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ મુખ્યત્વે બે વર્ગોમાં આવે છે: અકાર્બનિક સિરામિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ [સલ્ફાઇડ્સ, ઓક્સાઇડ્સ, નાઇટ્રાઇડ્સ, ફોસ્ફેટ્સ, વગેરે.] અને ઘન પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ [પોલીમર સાથે લિ ક્ષારનું મિશ્રણ, જેમ કે પોલી(ઇથિલિન ઓક્સાઇડ), પોલિએક્રાયલોનિટ્રાઇલ, વગેરે.] .નક્કર ઈલેક્ટ્રોલાઈટ્સને સુધારવાના પ્રયત્નોની અહીં વિગત આપવામાં આવશે નહીં, કારણ કે આ વિષયનો તાજેતરની સમીક્ષાઓમાં સારી રીતે સારાંશ આપવામાં આવ્યો છે.
આઉટલુક
ભૂતકાળમાં, બેટરીની સલામતીને સુધારવા માટે ઘણી નવી સામગ્રી વિકસાવવામાં આવી છે, જો કે સમસ્યા હજુ સુધી સંપૂર્ણપણે હલ થઈ નથી.વધુમાં, દરેક અલગ-અલગ બેટરી રસાયણશાસ્ત્ર માટે સલામતીના મુદ્દાઓ અંતર્ગત મિકેનિઝમ્સ બદલાય છે.આમ, અલગ-અલગ બૅટરીઓ માટે તૈયાર કરવામાં આવેલી વિશિષ્ટ સામગ્રીઓ ડિઝાઇન કરવી જોઈએ.અમે માનીએ છીએ કે વધુ કાર્યક્ષમ પદ્ધતિઓ અને સારી રીતે ડિઝાઇન કરેલી સામગ્રી શોધવાની બાકી છે.અહીં, અમે ભાવિ બેટરી સુરક્ષા સંશોધન માટે કેટલીક સંભવિત દિશાઓની યાદી આપીએ છીએ.
પ્રથમ, LIB ની આંતરિક આરોગ્ય સ્થિતિઓને શોધવા અને તેનું નિરીક્ષણ કરવા માટે પરિસ્થિતિમાં અથવા ઓપરેન્ડો પદ્ધતિઓ વિકસાવવી મહત્વપૂર્ણ છે.ઉદાહરણ તરીકે, થર્મલ રનઅવે પ્રક્રિયા LIB ની અંદર આંતરિક તાપમાન અથવા દબાણ વધારા સાથે ગાઢ રીતે સંબંધિત છે.જો કે, બેટરીની અંદર તાપમાનનું વિતરણ એકદમ જટિલ છે, અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને ઇલેક્ટ્રોડ્સ તેમજ વિભાજકો માટેના મૂલ્યોનું ચોક્કસ નિરીક્ષણ કરવા માટે પદ્ધતિઓ જરૂરી છે.આમ, અલગ-અલગ ઘટકો માટે આ પરિમાણોને માપવામાં સક્ષમ બનવું એ બૅટરી સલામતી જોખમોનું નિદાન કરવા અને આ રીતે અટકાવવા માટે મહત્વપૂર્ણ છે.
બેટરીની સલામતી માટે વિભાજકની થર્મલ સ્થિરતા નિર્ણાયક છે.ઉચ્ચ ગલનબિંદુઓ સાથે નવા વિકસિત પોલિમર વિભાજકની થર્મલ અખંડિતતા વધારવા માટે અસરકારક છે.જો કે, તેમના યાંત્રિક ગુણધર્મો હજુ પણ હલકી ગુણવત્તાવાળા છે, જે બેટરી એસેમ્બલી દરમિયાન તેમની પ્રક્રિયાક્ષમતાને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડે છે.તદુપરાંત, કિંમત એ એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે જે વ્યવહારિક એપ્લિકેશનો માટે ધ્યાનમાં લેવું જોઈએ.
ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો વિકાસ એ LIB ની સલામતી સમસ્યાઓ માટે અંતિમ ઉકેલ હોવાનું જણાય છે.નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ આગ અને વિસ્ફોટના જોખમની સાથે બેટરીના આંતરિક શોર્ટિંગની શક્યતાને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડશે.નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની પ્રગતિ માટે મહાન પ્રયત્નો સમર્પિત હોવા છતાં, તેમનું પ્રદર્શન પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ કરતા ઘણું પાછળ રહે છે.અકાર્બનિક અને પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના સંયોજનો મહાન સંભવિતતા દર્શાવે છે, પરંતુ તેમને નાજુક ડિઝાઇન અને તૈયારીની જરૂર છે.અમે ભારપૂર્વક જણાવીએ છીએ કે કાર્યક્ષમ લિ-આયન પરિવહન માટે અકાર્બનિક-પોલિમર ઇન્ટરફેસની યોગ્ય ડિઝાઇન અને તેમની ગોઠવણીનું એન્જિનિયરિંગ નિર્ણાયક છે.
એ નોંધવું જોઇએ કે પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ એકમાત્ર બેટરી ઘટક નથી જે જ્વલનશીલ છે.ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે LIB ને વધુ ચાર્જ કરવામાં આવે છે, ત્યારે જ્વલનશીલ લિથિયેટેડ એનોડ સામગ્રી (ઉદાહરણ તરીકે, લિથિયેટેડ ગ્રેફાઇટ) પણ એક મોટી સુરક્ષા ચિંતા છે.ફ્લેમ રિટાડન્ટ્સ કે જે ઘન-સ્થિતિ સામગ્રીની આગને અસરકારક રીતે અટકાવી શકે છે તેમની સલામતી વધારવા માટે ખૂબ જ માંગ કરવામાં આવે છે.જ્યોત રેટાડન્ટ્સને પોલિમર બાઈન્ડર અથવા વાહક ફ્રેમવર્કના સ્વરૂપમાં ગ્રેફાઈટ સાથે મિશ્રિત કરી શકાય છે.
બેટરી સલામતી એ એક જટિલ અને અત્યાધુનિક સમસ્યા છે.બેટરી સલામતીનું ભાવિ વધુ અદ્યતન પાત્રાલેખન પદ્ધતિઓ ઉપરાંત ઊંડી સમજણ માટે મૂળભૂત મિકેનિસ્ટિક અભ્યાસોમાં વધુ પ્રયત્નોની જરૂર છે, જે સામગ્રીની રચનાને માર્ગદર્શન આપવા માટે વધુ માહિતી પ્રદાન કરી શકે છે.જો કે આ સમીક્ષા સામગ્રી-સ્તરની સલામતી પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, તે નોંધવું જોઈએ કે LIBs ના સલામતી મુદ્દાને ઉકેલવા માટે વધુ એક સર્વગ્રાહી અભિગમની જરૂર છે, જ્યાં સામગ્રી, સેલ ઘટકો અને ફોર્મેટ, અને બેટરી મોડ્યુલ અને પેક બેટરીને વિશ્વસનીય બનાવવા માટે સમાન ભૂમિકા ભજવે છે. તેઓ બજારમાં રજૂ કરવામાં આવે છે.
સંદર્ભો અને નોંધો
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, લિથિયમ-આયન બેટરી સલામતી માટે સામગ્રી, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
પોસ્ટનો સમય: જૂન-05-2021
