වියුක්ත
ලිතියම්-අයන බැටරි (LIBs) ඉතා වැදගත් බලශක්ති ගබඩා කිරීමේ තාක්ෂණයක් ලෙස සැලකේ.බැටරි වල ශක්ති ඝනත්වය වැඩි වන විට, නොදැනුවත්වම ශක්තිය මුදා හැරියහොත් බැටරි ආරක්ෂාව වඩාත් තීරණාත්මක වේ.LIB හි ගිනි හා පිපිරීම් සම්බන්ධ අනතුරු ලොව පුරා නිතර සිදු වේ.සමහර ඒවා මිනිස් ජීවිතයට සහ සෞඛ්‍යයට බරපතල තර්ජන ඇති කර ඇති අතර නිෂ්පාදකයින් විසින් බොහෝ නිෂ්පාදන නැවත කැඳවීමට හේතු වී තිබේ.මෙම සිදුවීම් බැටරි සඳහා පූර්වාවශ්‍යතාවක් බව මතක් කර දෙන අතර, අධි ශක්ති බැටරි පද්ධති අනාගතයේ යෙදීමට පෙර බරපතල ගැටළු විසඳිය යුතුය.මෙම සමාලෝචනය LIB ආරක්ෂණ ගැටළු වල මූලාරම්භයේ මූලික කරුණු සාරාංශ කිරීම සහ LIB ආරක්ෂාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා ද්රව්ය නිර්මාණයේ මෑත කාලීන ප්‍රධාන ප්‍රගතිය ඉස්මතු කිරීම අරමුණු කරයි.විශේෂයෙන්ම ඉහළ ශක්ති ඝනත්වයක් සහිත නැගී එන LIB සඳහා මෙම සමාලෝචනය බැටරි ආරක්ෂාව තවදුරටත් වැඩිදියුණු කිරීමට පෙළඹෙනු ඇතැයි අපි අපේක්ෂා කරමු.
ලිබ් ආරක්ෂණ ගැටළු වල මූලාරම්භය
LIBs තුළ ඇති කාබනික ද්රව විද්යුත් විච්ඡේදකය සහජයෙන්ම දැවෙන සුළුය.LIB පද්ධතියක වඩාත්ම ව්‍යසනකාරී අසාර්ථකත්වය වන්නේ බැටරි ආරක්ෂණ ගැටළු සඳහා ප්‍රධාන හේතුව ලෙස සැලකෙන කැස්කැඩින් තාප ධාවන සිදුවීමයි.සාමාන්යයෙන්, තාප පැනීම සිදුවන්නේ බාහිර තාප ප්‍රතික්‍රියාවක් පාලනයෙන් තොර වූ විටය.බැටරියේ උෂ්ණත්වය ~80°C ට වඩා ඉහළ යන විට, බැටරි තුළ ඇති බාහිර තාප රසායනික ප්රතික්රියා වේගය වැඩි වන අතර සෛලය තවදුරටත් රත් කරයි, ප්රතිඵලයක් ලෙස ධනාත්මක ප්‍රතිපෝෂණ චක්‍රයක් ඇතිවේ.අඛණ්ඩව ඉහළ යන උෂ්ණත්වයන් ගිනි හා පිපිරීම් ඇති විය හැක, විශේෂයෙන් විශාල බැටරි ඇසුරුම් සඳහා.එබැවින්, LIB වල ආරක්ෂාව සහ විශ්වසනීයත්වය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා ක්රියාකාරී ද්රව්ය සැලසුම් කිරීම සඳහා තාප පැනීමේ හේතු සහ ක්රියාවලීන් අවබෝධ කර ගත හැකිය.සාරාංශගත කර ඇති පරිදි තාප ධාවන ක්රියාවලිය අදියර තුනකට බෙදිය හැකියරූපය 1.
රූපය 1 තාප ධාවන ක්රියාවලිය සඳහා අදියර තුනක්.
අදියර 1: අධික උනුසුම් වීමේ ආරම්භය.බැටරි සාමාන්ය තත්වයේ සිට අසාමාන්ය තත්වයකට වෙනස් වන අතර අභ්යන්තර උෂ්ණත්වය වැඩි වීමට පටන් ගනී.අදියර 2: තාප සමුච්චය සහ වායු මුදා හැරීමේ ක්රියාවලිය.අභ්යන්තර උෂ්ණත්වය ඉක්මනින් ඉහළ යන අතර, බැටරිය බාහිර තාප ප්රතික්රියා වලට ලක් වේ.අදියර 3: දහනය සහ පිපිරීම.දැවෙන ඉලෙක්ට්රෝලය දහනය වන අතර එය ගිනි හා පිපිරීම් වලට පවා තුඩු දෙයි.
අධික උනුසුම් වීමේ ආරම්භය (අදියර 1)
තාප ධාවන පථය බැටරි පද්ධතියේ අධික උනුසුම් වීමෙන් ආරම්භ වේ.සැලසුම් කරන ලද වෝල්ටීයතාවයෙන් ඔබ්බට බැටරිය ආරෝපණය වීම (අධික ආරෝපණය), අධික උෂ්ණත්වයට නිරාවරණය වීම, දෝෂ සහිත රැහැන් හේතුවෙන් බාහිර කෙටි පරිපථ හෝ සෛල දෝෂ හේතුවෙන් අභ්යන්තර කෙටි පරිපථ හේතුවෙන් ආරම්භක උනුසුම් වීම සිදුවිය හැක.ඒවා අතර, අභ්යන්තර කෙටිකතාව තාප ගැලීමේ ප්‍රධාන හේතුව වන අතර එය පාලනය කිරීමට සාපේක්ෂව අපහසු වේ.බාහිර ලෝහ සුන්බුන් විනිවිද යාම වැනි සෛල තලා දැමීමේ අවස්ථාවන්හිදී අභ්යන්තර කෙටි වීමක් සිදුවිය හැක;වාහන ගැටීම;අධික ධාරා ඝනත්ව ආරෝපණය යටතේ, අධික ආරෝපණ තත්ත්වයන් යටතේ හෝ අඩු උෂ්ණත්වවලදී ලිතියම් ඩෙන්ඩ්රයිට් සෑදීම;සහ බැටරි එකලස් කිරීමේදී සාදන ලද දෝෂ සහිත බෙදුම්කරුවන් කිහිපයක් නම් කිරීමට.උදාහරණයක් ලෙස, 2013 ඔක්තෝම්බර් මස මුලදී, සියැටල් අසල ටෙස්ලා මෝටර් රථයක් පලිහ සහ බැටරි පැකට්ටුව සිදුරු කරන ලද ලෝහ සුන්බුන්වලට පහර දුන්නේය.සුන්බුන් පොලිමර් බෙදුම්කරුවන්ට විනිවිද ගොස් කැතෝඩය සහ ඇනෝඩය කෙලින්ම සම්බන්ධ කර බැටරිය කෙටි පරිපථයකට සහ ගිනි ගැනීමට හේතු විය;2016 දී Samsung Note 7 බැටරියේ ගිනි ගැනීම් ඇති වූයේ බාහිර පීඩනයෙන් හෝ ධනාත්මක ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ ඇති වෑල්ඩින් බර්සර් මගින් පහසුවෙන් හානි වූ ආක්‍රමණශීලී අල්ට්‍රාතින් බෙදුම්කරු නිසා බැටරිය කෙටි පරිපථයකට හේතු විය.
1 අදියරේදී, බැටරි ක්‍රියාකාරිත්වය සාමාන්ය තත්වයේ සිට අසාමාන්ය තත්වයකට වෙනස් වන අතර, ඉහත ලැයිස්තුගත කර ඇති සියලුම ගැටළු බැටරිය අධික ලෙස රත් වීමට හේතු වේ.අභ්යන්තර උෂ්ණත්වය වැඩි වීමට පටන් ගන්නා විට, අදියර 1 අවසන් වන අතර අදියර 2 ආරම්භ වේ.
තාප සමුච්චය සහ වායු මුදා හැරීමේ ක්රියාවලිය (අදියර 2)
දෙවන අදියර ආරම්භ වන විට, අභ්යන්තර උෂ්ණත්වය ඉක්මනින් ඉහළ යන අතර, බැටරිය පහත ප්රතික්රියා වලට භාජනය වේ (මෙම ප්රතික්රියා නියම අනුපිළිවෙලට සිදු නොවේ; සමහර ඒවා එකවර සිදු විය හැක):
(1) අධික උනුසුම් වීම හෝ භෞතික විනිවිද යාම හේතුවෙන් ඝන ඉලෙක්ට්රෝලය අන්තර් අවධි (SEI) වියෝජනය .SEI ස්ථරය ප්‍රධාන වශයෙන් ස්ථායී (LiF සහ Li2CO3 වැනි) සහ metastable [පොලිමර්, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2, සහ ROLi] සංරචක වලින් සමන්විත වේ.කෙසේ වෙතත්, metastable සංරචක දල වශයෙන් >90°C දී බාහිර තාප වියෝජනය විය හැක, ගිනිගන්නා වායූන් සහ ඔක්සිජන් නිකුත් කරයි.උදාහරණයක් ලෙස (CH2OCO2Li)2 ගන්න
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) SEI වියෝජනය වීමත් සමඟ උෂ්ණත්වය වැඩි වන අතර ඇනෝඩයේ ඇති ලිතියම් ලෝහය හෝ අන්තර් සම්බන්ධිත ලිතියම් ඉලෙක්ට්රෝලය තුළ ඇති කාබනික ද්‍රාවක සමඟ ප්රතික්රියා කර දැවෙන හයිඩ්‍රොකාබන් වායූන් (ඊතේන්, මීතේන් සහ වෙනත්) මුදා හරිනු ඇත.මෙය උෂ්ණත්වය තවත් ඉහළ නංවන බාහිර තාප ප්‍රතික්‍රියාවකි.
(3) කවදාදT> ~ 130°C, පොලිඑතිලීන් (PE)/පොලිප්‍රොපිලීන් (PP) බෙදුම්කරු දිය වීමට පටන් ගනී, එය තත්ත්වය තවදුරටත් නරක අතට හැරෙන අතර කැතෝඩය සහ ඇනෝඩය අතර කෙටි පරිපථයක් ඇති කරයි.
(4) අවසානයේදී, තාපය ලිතියම් ලෝහ ඔක්සයිඩ් කැතෝඩ ද්රව්ය වියෝජනය වීමට හේතු වන අතර ඔක්සිජන් මුදා හැරීමට හේතු වේ.උදාහරණයක් ලෙස LiCoO2 ගන්න, එය පහත පරිදි ~180°C සිට දිරාපත් විය හැක
කැතෝඩයේ බිඳවැටීම ද අධික ලෙස තාපජ වන අතර, උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය තවදුරටත් වැඩි වන අතර, ප්රතිඵලයක් වශයෙන්, ප්රතික්රියාවන් තවදුරටත් වේගවත් කරයි.
දෙවන අදියරේදී උෂ්ණත්වය වැඩි වන අතර බැටරි තුළ ඔක්සිජන් එකතු වේ.බැටරි දහනය සඳහා ප්‍රමාණවත් ඔක්සිජන් සහ තාපය එකතු වූ වහාම තාප ධාවන ක්රියාවලිය අදියර 2 සිට අදියර 3 දක්වා ඉදිරියට යයි.
දහනය සහ පිපිරීම (අදියර 3)
3 වන අදියරේදී, දහනය ආරම්භ වේ.LIB වල විද්යුත් විච්ඡේදක කාබනික වන අතර ඒවා චක්‍රීය සහ රේඛීය ඇල්කයිල් කාබනේට් වල විශ්වීය සංයෝජන වේ.ඒවා ඉහළ වාෂ්පශීලී බවක් ඇති අතර සහජයෙන්ම අධික ලෙස දැවෙන සුළුය.ජනප්‍රියව භාවිතා කරන කාබනේට් ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් [එතිලීන් කාබනේට් (EC) + ඩයිමෙතිල් කාබනේට් (DMC) මිශ්‍රණය (බර අනුව 1:1)] උදාහරණයක් ලෙස ගත් විට, එය කාමර උෂ්ණත්වයේ දී 4.8 kPa වාෂ්ප පීඩනයක් සහ අතිශය අඩු ෆ්ලෑෂ් ලක්ෂ්‍යයක් ප්‍රදර්ශනය කරයි. 25° ± 1°C වායු පීඩනයකදී 1.013 bar .2 වන අදියරේදී මුදා හරින ලද ඔක්සිජන් සහ තාපය, දැවෙන කාබනික ඉලෙක්ට්රෝටේට් දහනය සඳහා අවශ්ය කොන්දේසි සපයන අතර, එමගින් ගිනි හෝ පිපිරීම් උවදුරු ඇති කරයි.
අදියර 2 සහ 3 වලදී, බාහිර තාප ප්රතික්රියා සිදුවන්නේ ආසන්න-අඩිබටික් තත්වයන් යටතේ ය.මේ අනුව, ත්වරණය කළ අනුපාත කැලරිමිතිය (ARC) යනු තාප ධාවන ප්රතික්රියා චාලක විද්යාව පිළිබඳ අපගේ අවබෝධයට පහසුකම් සපයන LIB ඇතුළත පරිසරය අනුකරණය කරන බහුලව භාවිතා වන තාක්‍ෂණයකි.රූපය 2තාප අපයෝජන පරීක්ෂණ අතරතුර වාර්තා කරන ලද LIB හි සාමාන්ය ARC වක්‍රයක් පෙන්වයි.2 අදියරේදී උෂ්ණත්වය වැඩිවීම අනුකරණය කිරීම, බාහිර තාප ප්රභවයක් බැටරි උෂ්ණත්වය ආරම්භක උෂ්ණත්වයට වැඩි කරයි.මෙම උෂ්ණත්වයට ඉහලින්, SEI දිරාපත් වන අතර, එය වඩාත් තාපජ රසායනික ප්රතික්රියා අවුලුවනු ඇත.අවසානයේදී, බෙදුම්කරු දියවී යනු ඇත.ස්වයං-උණුසුම් අනුපාතය පසුව වැඩි වනු ඇත, එය තාප ගැලීමට තුඩු දෙනු ඇත (ස්වයං-උණුසුම් අනුපාතය >10 ° C/min විට) සහ ඉලෙක්ට්රෝලය දහනය (අදියර 3).
ඇනෝඩය මෙසොකාබන් මයික්‍රොබීඩ් ග්‍රැෆයිට් වේ.කැතෝඩය LiNi0.8Co0.05Al0.05O2 වේ.ඉලෙක්ට්රෝලය EC/PC/DMC හි 1.2 M LiPF6 වේ.Celgard 2325 ට්‍රයිලේයර් බෙදුම්කරුවෙකු භාවිතා කරන ලදී.Electrochemical Society Inc හි අවසරය ඇතිව අනුවර්තනය කරන ලදී.
ඉහත දක්වා ඇති ප්රතික්රියා එකින් එක දී ඇති අනුපිළිවෙලෙහි දැඩි ලෙස සිදු නොවන බව සටහන් කළ යුතුය.ඒ වෙනුවට, ඒවා සංකීර්ණ හා ක්රමානුකූල ගැටළු වේ.
වැඩිදියුණු කළ බැටරි ආරක්ෂාව සහිත ද්රව්ය
බැටරි තාප ධාවනය පිළිබඳ අවබෝධය මත පදනම්ව, බැටරි සංරචක තාර්කික සැලසුම් කිරීම හරහා ආරක්ෂිත උපද්‍රව අවම කිරීමේ අරමුණින් බොහෝ ප්රවේශයන් අධ්‍යයනය කෙරේ.ඊළඟ කොටස්වලදී, අපි බැටරි ආරක්ෂාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා විවිධ ද්රව්ය ප්රවේශයන් සාරාංශ කරමු, විවිධ තාප ධාවන අදියරවලට අනුරූප ගැටළු විසඳීම.
අදියර 1 හි ගැටළු විසඳීම සඳහා (අධික උනුසුම් වීමේ ආරම්භය)
විශ්වසනීය ඇනෝඩ ද්රව්ය.LIB හි ඇනෝඩය මත Li dendrite සෑදීම තාප දිවීමේ පළමු අදියර ආරම්භ කරයි.වාණිජ LIB වල ඇනෝඩ වල (උදාහරණයක් ලෙස, කාබන්ඩයොක්සස් ඇනෝඩ) මෙම ගැටළුව සමනය කර ඇතත්, Li dendrite සෑදීම සම්පූර්ණයෙන්ම වළක්වා නොමැත.උදාහරණයක් ලෙස, වාණිජ LIB වල, ඇනෝඩ සහ කැතෝඩ හොඳින් යුගලනය වී නොමැති නම්, මිනිරන් ඉලෙක්ට්රෝඩ දාරවල ඩෙන්ඩ්රයිට් තැන්පත් වීම වඩාත් ප්‍රමුඛ වේ.මීට අමතරව, LIB වල අනිසි මෙහෙයුම් තත්ත්වයන් ද ඩෙන්ඩ්රයිට් වර්ධනය සමඟ ලී ලෝහ තැන්පත් වීමට හේතු විය හැක.බැටරිය ආරෝපණය කළහොත් ඩෙන්ඩ්රයිට් පහසුවෙන් සෑදිය හැකි බව දන්නා කරුණකි (i) ලි ලෝහයේ තැන්පත් වීම විශාල මිනිරන් වල Li අයන විසරණයට වඩා වේගවත් වන ඉහළ ධාරා ඝනත්වයකදී;(ii) මිනිරන් අධික ලෙස ආරෝපණය කළ විට අධික ආරෝපණ තත්ත්වයන් යටතේ;සහ (iii) අඩු උෂ්ණත්වවලදී [උදාහරණයක් ලෙස, උප පරිසර උෂ්ණත්වය (~0°C)], ද්රව විද්යුත් විච්ඡේදකයේ දුස්ස්රාවිතතාවය වැඩි වීම සහ Li-ion විසරණ ප්‍රතිරෝධය වැඩි වීම හේතුවෙන්.
ද්රව්ය ගුණාංගවල දෘෂ්ටි කෝණයෙන්, ඇනෝඩය මත ලි ඩෙන්ඩ්රයිට් වර්ධනයේ ආරම්භය තීරණය කරන මූල සම්භවය අස්ථායී සහ ඒකාකාර නොවන SEI වන අතර එය අසමාන දේශීය ධාරා ව්‍යාප්තියට හේතු වේ.විද්යුත් විච්ඡේදක සංරචක, විශේෂයෙන් ආකලන, SEI ඒකාකාරී බව වැඩිදියුණු කිරීමට සහ Li dendrite සෑදීම ඉවත් කිරීමට විමර්ශනය කර ඇත.සාමාන්ය ආකලනවලට අකාබනික සංයෝග ඇතුළත් වේ [උදාහරණයක් ලෙස, CO2 , LiI , ආදිය] සහ vinylene carbonate සහ maleimide ආකලන වැනි අසංතෘප්ත කාබන් බන්ධන අඩංගු කාබනික සංයෝග;බියුටිරොලැක්ටෝන්, එතිලීන් සල්ෆයිට් වැනි අස්ථායී චක්‍රීය අණු සහ ඒවායේ ව්‍යුත්පන්නයන්;සහ අනෙකුත් අතර ෆ්ලෝරෝඑතිලීන් කාබනේට් වැනි ෆ්ලෝරිනීකෘත සංයෝග.මිලියනයකට කොටස් මට්ටමින් වුවද, මෙම අණුවලට තවමත් SEI රූප විද්යාව වැඩිදියුණු කළ හැකි අතර එමඟින් Li-ion ප්‍රවාහය සමජාතීය කර Li dendrite සෑදීමේ හැකියාව ඉවත් කරයි.
සමස්තයක් වශයෙන්, Li dendrite අභියෝග තවමත් මිනිරන් හෝ කාබන්ඩයොක්සස් ඇනෝඩවල සහ ඊළඟ පරම්පරාවේ ඇනෝඩ අඩංගු සිලිකන්/SiO හි පවතී.Li dendrite වර්ධනය පිළිබඳ ගැටළුව විසඳීම නුදුරු අනාගතයේ දී අධි ශක්ති ඝනත්ව Li-ion රසායන විද්යාව අනුවර්තනය වීම සඳහා ඉතා වැදගත් වන අභියෝගයකි.Li- තැන්පත් වීමේදී Li-ion ප්‍රවාහය සමජාතීය කිරීම මගින් පිරිසිදු Li ලෝහ ඇනෝඩවල Li dendrite සෑදීමේ ගැටලුව විසඳීමට මෑතක දී සැලකිය යුතු උත්සාහයක් ගෙන ඇති බව සඳහන් කළ යුතුය.උදාහරණයක් ලෙස, ආරක්ෂිත ස්ථර ආෙල්පනය, කෘතිම SEI ඉංජිනේරු විද්යාව, ආදිය. මෙම අංශයේ දී, සමහර ක්රම මගින් LIBs තුළ ද කාබන්ඩයොක්සස් ඇනෝඩ පිළිබඳ ගැටළුව විසඳා ගන්නේ කෙසේද යන්න පිළිබඳව ආලෝකය විහිදුවිය හැකිය.
බහුකාර්ය ද්රව ඉලෙක්ට්රෝලය සහ බෙදුම්කරුවන්.අධි ශක්ති කැතෝඩ සහ ඇනෝඩය භෞතිකව වෙන් කිරීමේදී ද්රව ඉලෙක්ට්රෝලය සහ බෙදුම්කරු ප්‍රධාන භූමිකාවන් ඉටු කරයි.මේ අනුව, හොඳින් සැලසුම් කරන ලද බහුකාර්ය විද්යුත් විච්ඡේදක සහ බෙදුම්කරුවන්ට බැටරි තාප ධාවන (අදියර 1) මුල් අදියරේ දී බැටරි සැලකිය යුතු ලෙස ආරක්ෂා කළ හැකිය.
යාන්ත්රික තලා දැමීමෙන් බැටරි ආරක්ෂා කිරීම සඳහා, කාබනේට් ඉලෙක්ට්රෝලය (EC/DMC හි 1 M LiFP6) දුම් දමන සිලිකා සරලව එකතු කිරීම මගින් ෂීර් ඝණීකරණ ද්රව ඉලෙක්ට්රෝලය ලබාගෙන ඇත.යාන්ත්රික පීඩනය හෝ බලපෑම මත, ද්‍රවය දුස්ස්රාවීතාවයේ වැඩි වීමක් සමඟ කැපුම් ඝණීකරණ බලපෑමක් පෙන්නුම් කරයි, එබැවින් බලපෑම් ශක්තිය විසුරුවා හැරීම සහ තලා දැමීම සඳහා ඉවසීම පෙන්නුම් කරයි (රූපය 3A)
Fig. 3 අදියර 1 හි ගැටළු විසඳීමට උපාය මාර්ග.
(A) ෂියර් ඝණීකරණ ඉලෙක්ට්රෝලය.ඉහළට: සාමාන්ය විද්යුත් විච්ඡේදක සඳහා යාන්ත්රික බලපෑම බැටරි අභ්යන්තර කෙටි කාලීන වීමට හේතු විය හැක, ගිනි හා පිපිරීම් ඇති කරයි.පහළ: පීඩනය හෝ බලපෑම යටතේ කැපුම් ඝණ කිරීෙම් බලපෑම සහිත නව ස්මාර්ට් ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් තලා දැමීම සඳහා විශිෂ්ට ඉවසීමක් පෙන්නුම් කරයි, එමඟින් බැටරිවල යාන්ත්රික ආරක්ෂාව සැලකිය යුතු ලෙස වැඩි දියුණු කළ හැකිය.(B) ලිතියම් ඩෙන්ඩ්රයිට් කල්තියා හඳුනා ගැනීම සඳහා ද්වි ක්රියාකාරී බෙදුම්කරුවන්.සම්ප්‍රදායික ලිතියම් බැටරියක ඩෙන්ඩ්රයිට් සෑදීම, ලිතියම් ඩෙන්ඩ්රයිට් මගින් බෙදුම්කරුට සම්පූර්ණ විනිවිද යාම අනාවරණය වන්නේ අභ්යන්තර කෙටි පරිපථයක් හේතුවෙන් බැටරිය අසමත් වූ විට පමණි.සසඳන විට, ද්වික්‍රියාකාරී බෙදුම්කරුවෙකු සහිත ලිතියම් බැටරියක් (සාම්ප්‍රදායික බෙදුම්කරුවන් දෙකක් අතර සැන්ඩ්විච් කරන ලද සන්නායක තට්ටුවකින් සමන්විත වේ), එහිදී දත ලිතියම් ඩෙන්ඩ්රයිට් බෙදුම්කරුට විනිවිද ගොස් සන්නායක තඹ ස්ථරය සමඟ සම්බන්ධතා ඇති කරයි, එහි ප්රතිඵලයක් ලෙස පහත වැටීමක් සිදුවේ.VCu−Li, අභ්යන්තර කෙටි පරිපථයක් හේතුවෙන් ඉදිරි අසාර්ථකත්වය පිලිබඳ අනතුරු ඇඟවීමක් ලෙස සේවය කරයි.කෙසේ වෙතත්, සම්පූර්ණ බැටරිය ශුන්‍ය නොවන විභවයන් සමඟ ආරක්ෂිතව ක්‍රියාත්මක වේ.(A) සහ (B) ස්ප්‍රින්ගර් නේචර්ගේ අවසරය ඇතිව අනුවර්තනය වී හෝ ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කර ඇත.(C) අන්තරායකර Li dendrites පරිභෝජනය කිරීමට සහ බැටරි ආයු කාලය දීර්ඝ කිරීමට ට්‍රයිලේයර් බෙදුම්කරු.වම: ලිතියම් ඇනෝඩ වලට පහසුවෙන් ඩෙන්ඩ්‍රිටික් තැන්පතු සෑදිය හැක, එය ක්‍රමයෙන් විශාල වී නිෂ්ක්‍රීය බහු අවයවික බෙදුම්කරු විනිවිද යා හැක.ඩෙන්ඩ්රයිට් අවසානයේ කැතෝඩය සහ ඇනෝඩය සම්බන්ධ කරන විට, බැටරිය කෙටි පරිපථයක් සහ අසාර්ථක වේ.දකුණ: සිලිකා නැනෝ අංශු ස්ථරයක් වාණිජ පොලිමර් බෙදුම්කරුවන් ස්ථර දෙකකින් සැන්ඩ්විච් කරන ලදී.එමනිසා, ලිතියම් ඩෙන්ඩ්රයිට් වර්ධනය වී බෙදුම්කරුට විනිවිද යන විට, ඒවා සැන්ඩ්විච් ස්ථරයේ ඇති සිලිකා නැනෝ අංශු සමඟ සම්බන්ධ වී විද්යුත් රසායනිකව පරිභෝජනය කරයි.(D) සිලිකා නැනෝ අංශු සැන්ඩ්විච් බෙදුම්කරුගේ ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂ (SEM) රූපය පරිලෝකනය කිරීම.(E) සාම්ප්‍රදායික බෙදුම්කරුවෙකු (රතු වක්‍රය) සහ සිලිකා නැනෝ අංශු සැන්ඩ්විච් ට්‍රයිලේයර් බෙදුම්කරු (කළු වක්‍රය) එකම කොන්දේසි යටතේ පරීක්‍ෂා කරන ලද Li/Li බැටරියක සාමාන්ය වෝල්ටීයතාවයට එදිරිව කාල පැතිකඩ.(C), (D), සහ (E) ජෝන් විලී සහ පුත්‍රයන්ගේ අවසරය ඇතිව ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කෙරේ.(F) රෙඩොක්ස් ෂටල් ආකලනවල යාන්ත්‍රණ පිළිබඳ ක්රමානුකූල නිදර්ශනය.අධික ලෙස ආරෝපණය කරන ලද කැතෝඩ මතුපිටක් මත, රෙඩොක්ස් ආකලන [O] ආකෘතියට ඔක්සිකරණය වේ, පසුව එය ඉලෙක්ට්රෝලය හරහා විසරණය කිරීමෙන් ඇනෝඩයේ මතුපිට එහි මුල් තත්වයට [R] අඩු වේ.ඔක්සිකරණය-විසරණය-අඩු කිරීම-විසරණය යන විද්යුත් රසායනික චක්‍රය දින නියමයක් නොමැතිව පවත්වා ගත හැකි අතර එම නිසා අනතුරුදායක අධික ආරෝපණයෙන් කැතෝඩ විභවය අගුළු දමයි.(G) රෙඩොක්ස් ෂටල් ආකලනවල සාමාන්ය රසායනික ව්‍යුහයන්.(H) අධි විභවයන්හිදී විද්යුත් රසායනිකව බහුඅවයවීකරණය කළ හැකි වසා දැමීමේ අධි ආරෝපණ ආකලනවල යාන්ත්‍රණය.(I) වසා දැමීමේ අධි ආරෝපණ ආකලනවල සාමාන්ය රසායනික ව්‍යුහයන්.ආකලනවල ක්රියාකාරී විභවයන් (G), (H) සහ (I) හි එක් එක් අණුක ව්යුහය යටතේ ලැයිස්තුගත කර ඇත.
බෙදුම්කරුවන්ට කැතෝඩය සහ ඇනෝඩය ඉලෙක්ට්‍රොනිකව පරිවරණය කළ හැකි අතර 1 වන අදියරේ පසුකාලීනව තවදුරටත් පිරිහීම වැළැක්වීම සඳහා ස්ථානගත බැටරියක සෞඛ්‍ය තත්ත්වය නිරීක්ෂණය කිරීමේදී වැදගත් කාර්යභාරයක් ඉටු කළ හැකිය. උදාහරණයක් ලෙස, පොලිමර්-ලෝහ-පොලිමර් ට්‍රයිලේයර් වින්‍යාසය සහිත “ද්වි ක්රියාකාරී බෙදුම්කරු” (රූපය 3B) නව වෝල්ටීයතා සංවේදී කාර්යයක් සැපයිය හැක.ඩෙන්ඩ්රයිට් වර්ධනය වී අතරමැදි ස්ථරයට ළඟා වූ විට, එය ලෝහ ස්ථරය සහ ඇනෝඩය සම්බන්ධ කරයි, එවිට ඒවා අතර හදිසි වෝල්ටීයතා පහත වැටීමක් ප්‍රතිදානයක් ලෙස ක්ෂණිකව හඳුනාගත හැකිය.
හඳුනාගැනීමට අමතරව, ට්‍රයිලේයර් බෙදුම්කරුවෙකු සැලසුම් කර ඇත්තේ අන්තරායකර ලී ඩෙන්ඩ්රයිට් පරිභෝජනය කිරීමට සහ බෙදුම්කරුට විනිවිද යාමෙන් පසු ඒවායේ වර්ධනය මන්දගාමී කිරීමට ය.සිලිකා නැනෝ අංශු ස්ථරයක්, වාණිජ පොලිඔලෆින් බෙදුම්කාරක ස්ථර දෙකකින් සැන්ඩ්විච් කර ඇත (රූපය 3, C සහ D), ඕනෑම විනිවිද යන අන්තරායකර Li dendrites පරිභෝජනය කළ හැකි අතර එමඟින් බැටරියේ ආරක්ෂාව කාර්යක්ෂමව වැඩි දියුණු කරයි.ආරක්ෂිත බැටරියේ ආයු කාලය සාම්ප්‍රදායික බෙදුම්කරුවන් සමඟ සසඳන විට දළ වශයෙන් පස් ගුණයකින් වැඩි විය (රූපය 3E).
අධික ආරෝපණ ආරක්ෂාව.අධි ආරෝපණය යනු එහි සැලසුම් කළ වෝල්ටීයතාවයෙන් ඔබ්බට බැටරියක් ආරෝපණය කිරීම ලෙස අර්ථ දැක්වේ.අධික නිශ්චිත ධාරා ඝනත්වය, ආක්‍රමණශීලී ආරෝපණ පැතිකඩ යනාදිය මගින් අධි ආරෝපණය සිදු විය හැක, (i) බැටරියේ විද්යුත් රසායනික ක්‍රියාකාරීත්වයට සහ ආරක්ෂාවට බරපතල ලෙස බලපාන (i) Li metal ඇනෝඩය මත තැන්පත් වීම ඇතුළු ගැටළු මාලාවක් ගෙන ඒම;(ii) කැතෝඩ ද්රව්ය වියෝජනය වීම, ඔක්සිජන් මුදා හැරීම;සහ (iii) කාබනික ඉලෙක්ට්රෝලය වියෝජනය කිරීම, තාපය මුදා හැරීම සහ වායුමය නිෂ්පාදන (H2, හයිඩ්‍රොකාබන, CO, ආදිය) තාප දිවීම සඳහා වගකිව යුතු වේ.වියෝජනය අතරතුර විද්යුත් රසායනික ප්රතික්රියා සංකීර්ණ වන අතර ඒවායින් සමහරක් පහත දැක්වේ.
තරු ලකුණ (*) මගින් පෙන්නුම් කරන්නේ හයිඩ්‍රජන් වායුව ප්‍රෝටික් වලින් හටගන්නා අතර, කැතෝඩයේ කාබනේට් ඔක්සිකරණය කිරීමේදී ජනනය වන කණ්ඩායම් ඉතිරි වන අතර, එය ඇනෝඩයට විසරණය වී අඩු වී H2 ජනනය කරයි.
ඒවායේ ක්‍රියාකාරිත්වයේ වෙනස්කම් මත, අධි ආරෝපණ ආරක්ෂණ ආකලන රෙඩොක්ස් ෂටල් ආකලන සහ වසා දැමීමේ ආකලන ලෙස වර්ග කළ හැකිය.පළමුවැන්න සෛලය අධික ලෙස ආරෝපණයෙන් ආරක්ෂා කරන අතර දෙවැන්න සෛල ක්‍රියාකාරිත්වය ස්ථිරවම අවසන් කරයි.
රෙඩොක්ස් ෂටල් ආකලන ක්රියා කරන්නේ අධික ආරෝපණයක් සිදු වූ විට බැටරියට එන්නත් කරන අතිරික්ත ආරෝපණය විද්යුත් රසායනිකව වසා දැමීමෙනි.හි පෙන්වා ඇති පරිදිරූපය 3F, යාන්ත්‍රණය පදනම් වී ඇත්තේ ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් ඇනෝඩික් වියෝජනයට වඩා තරමක් අඩු ඔක්සිකරණ විභවයක් ඇති රෙඩොක්ස් ආකලන මත ය.අධික ලෙස ආරෝපණය කරන ලද කැතෝඩ මතුපිටක් මත, රෙඩොක්ස් ආකලන [O] ආකෘතියට ඔක්සිකරණය වේ, එය පසුව ඉලෙක්ට්රෝලය හරහා විසරණය වීමෙන් පසු ඇනෝඩයේ මතුපිට එහි මුල් තත්වයට [R] අඩු වේ.පසුව, අඩු කරන ලද ආකලන නැවත කැතෝඩය වෙත විසරණය විය හැකි අතර, "ඔක්සිකරණ-විසරණය-අඩු කිරීම-විසරණය" යන විද්යුත් රසායනික චක්‍රය දින නියමයක් නොමැතිව පවත්වා ගත හැකි අතර එම නිසා කැතෝඩ විභවය තවදුරටත් අනතුරුදායක අධික ආරෝපණයකින් අවහිර කරයි.අධ්‍යයනවලින් පෙන්නුම් කර ඇත්තේ ආකලනවල රෙඩොක්ස් විභවය කැතෝඩයේ විභවයට වඩා 0.3 සිට 0.4 V පමණ විය යුතු බවයි.
organometallic metallocenes , phenothiazines , triphenylamines , dimethoxybenzenes සහ ඒවායේ ව්‍යුත්පන්නයන් , සහ 2-(pentafluorophenyl)-tetrafluoro-1,3,2-orolen (dioxabenzole) ඇතුළුව හොඳින් සකස් කරන ලද රසායනික ව්‍යුහයන් සහ රෙඩොක්ස් විභවයන් සහිත ආකලන මාලාවක් සංවර්ධනය කර ඇත.රූපය 3G)අණුක ව්‍යුහයන් සකස් කිරීමෙන්, ආකලන ඔක්සිකරණ විභවයන් 4 V ට වඩා සුසර කළ හැකි අතර, එය ශීඝ්‍රයෙන් වර්ධනය වන අධි වෝල්ටීයතා කැතෝඩ ද්රව්ය සහ විද්යුත් විච්ඡේදක සඳහා සුදුසු වේ.මූලික සැලසුම් මූලධර්මය වන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝන ඉවත් කිරීමේ ආදේශක එකතු කිරීම මගින් ආකලනවල ඉහළම වාඩිලාගෙන සිටින අණුක කාක්ෂිකය අඩු කිරීම, ඔක්සිකරණ විභවය වැඩි කිරීමට මග පාදයි.කාබනික ආකලන වලට අමතරව, සමහර අකාබනික ලවණ, විද්යුත් විච්ඡේදක ලවණ ලෙස ක්රියා කළ හැකි පමණක් නොව, පර්ෆ්ලෝරෝබොරේන් පොකුරු ලවණ [එනම්, ලිතියම් ෆ්ලෝරෝඩෝඩේකාබොරේට් (Li2B12F) වැනි රෙඩොක්ස් ෂටලයක් ලෙසද සේවය කළ හැකිය.xH12−x)], කාර්යක්ෂම රෙඩොක්ස් ෂටල් ආකලන බව ද සොයාගෙන ඇත.
වසා දැමීමේ අධි ආරෝපණ ආකලන යනු ආපසු හැරවිය නොහැකි අධිආරෝපණ ආරක්ෂණ ආකලන පන්තියකි.ඒවා ක්රියා කරන්නේ එක්කෝ ඉහළ විභවයන්හිදී වායුව මුදා හැරීමෙන්, එමඟින් ධාරා බාධාකාරී උපාංගයක් සක්‍රීය කිරීම හෝ ව්‍යසනකාරී ප්‍රතිඵල සිදුවීමට පෙර බැටරි ක්‍රියාකාරිත්වය අවසන් කිරීම සඳහා ඉහළ විභවයන්හිදී ස්ථිර ලෙස විද්යුත් රසායනික බහුඅවයවීකරණය කිරීමෙනි (රූපය 3H)පළමු උදාහරණ සඳහා xylene , cyclohexylbenzene සහ biphenyl ඇතුළත් වන අතර, දෙවන උදාහරණ සඳහා biphenyl සහ අනෙකුත් ආදේශක ඇරෝමැටික සංයෝග (රූපය 3I)මෙම සංයෝගවල ආපසු හැරවිය නොහැකි ඔක්සිකරණය හේතුවෙන් වසා දැමීමේ ආකලනවල ඍණාත්මක බලපෑම් තවමත් LIB වල දිගුකාලීන මෙහෙයුම් සහ ගබඩා කාර්ය සාධනය වේ.
අදියර 2 හි ගැටළු විසඳීම සඳහා (තාප සමුච්චය සහ වායු මුදා හැරීමේ ක්රියාවලිය)
විශ්වසනීය කැතෝඩ ද්රව්ය.ලිතියම් සංක්‍රාන්ති ලෝහ ඔක්සයිඩ, එනම් ස්ථර ඔක්සයිඩ LiCoO2, LiNiO2, සහ LiMnO2;ස්පිනල් වර්ගයේ ඔක්සයිඩ් LiM2O4;සහ polyanion වර්ගය LiFePO4, ජනප්‍රියව භාවිතා වන කැතෝඩ ද්රව්ය වන අතර, කෙසේ වෙතත්, විශේෂයෙන් ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී ආරක්ෂිත ගැටළු ඇත.ඒවා අතර ඔලිවයින් ව්‍යුහගත LiFePO4 සාපේක්ෂව ආරක්ෂිත වන අතර එය 400 ° C දක්වා ස්ථායී වන අතර LiCoO2 250 ° C දී දිරාපත් වීමට පටන් ගනී.LiFePO4 හි වැඩි දියුණු කළ ආරක්ෂාවට හේතුව නම්, ඔක්සිජන් අයන සියල්ලම P5+ සමඟ ශක්තිමත් සහසංයුජ බන්ධන සාදමින් PO43− ටෙට්‍රාහෙඩ්‍රල් බහුයානියන් සෑදීමයි, එමඟින් සම්පූර්ණ ත්‍රිමාණ රාමුව ස්ථායි කර අනෙකුත් කැතෝඩ ද්රව්ය සමඟ සසඳන විට වැඩිදියුණු කළ ස්ථායීතාවයක් ලබා දෙයි. සමහර බැටරි ගිනි අනතුරු වාර්තා වී ඇත.මෙම කැතෝඩ ද්රව්ය ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී වියෝජනය වීම සහ එකවරම ඔක්සිජන් මුදා හැරීම නිසා ප්‍රධාන ආරක්ෂාව පැනනගින අතර, එය එක්ව දහනය හා පිපිරීම් වලට තුඩු දිය හැකි අතර බැටරියේ ආරක්ෂාව බරපතල ලෙස අවදානමට ලක් කරයි.නිදසුනක් ලෙස, Li+ හි අයනික ප්‍රමාණය Ni2+ පැවතීම නිසා ස්ථර ඔක්සයිඩ් LiNiO2 හි ස්ඵටික ව්යුහය අස්ථායී වේ.ඛණ්ඩනය කරන ලද ලිxNiO2 (x< 1) වඩා ස්ථායී ස්පිනල්-වර්ගයේ LiNi2O4 (spinel) සහ රොක්සෝල්ට්-වර්ගය NiO වෙත පරිවර්තනය කිරීමට නැඹුරු වන අතර, ඔක්සිජන් 200 ° C දී දියර ඉලෙක්ට්රෝලය වෙත මුදා හරින අතර එය ඉලෙක්ට්රෝලය දහනය වීමට තුඩු දෙයි.
පරමාණු මාත්‍රණය සහ මතුපිට ආරක්ෂිත ආලේපන මගින් මෙම කැතෝඩ ද්‍රව්‍යවල තාප ස්ථායීතාවය වැඩි දියුණු කිරීමට සැලකිය යුතු උත්සාහයක් ගෙන ඇත.
පරමාණු මාත්‍රණය කිරීමෙන් ඇතිවන ස්ථායී ස්ඵටික ව්‍යුහයන් හේතුවෙන් ස්ථර ඔක්සයිඩ් ද්‍රව්‍යවල තාප ස්ථායීතාවය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩි කළ හැක.LiNiO2 හෝ Li1.05Mn1.95O4 හි තාප ස්ථායීතාවය Co, Mn, Mg, සහ Al වැනි අනෙකුත් ලෝහ කැටායන සමඟ Ni හෝ Mn අර්ධ වශයෙන් ආදේශ කිරීමෙන් සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කළ හැක.LiCoO2 සඳහා, Ni සහ Mn වැනි මාත්‍රණ සහ මිශ්‍ර මූලද්‍රව්‍ය හඳුන්වාදීම මගින් වියෝජන ආරම්භයේ උෂ්ණත්වය දැඩි ලෙස වැඩි කළ හැක.Tdec, ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී ඉලෙක්ට්රෝලය සමඟ ප්රතික්රියා වළක්වා ගැනීම.කෙසේ වෙතත්, සාමාන්යයෙන් කැතෝඩ තාප ස්ථායීතාවයේ වැඩි වීමක් විශේෂිත ධාරිතාවකින් යුත් කැපකිරීම් සමඟ පැමිණේ.මෙම ගැටළුව විසඳීම සඳහා, ස්ථර ලිතියම් නිකල් කොබෝල්ට් මැංගනීස් ඔක්සයිඩ් මත පදනම්ව නැවත ආරෝපණය කළ හැකි ලිතියම් බැටරි සඳහා සාන්ද්‍රණ-ශ්‍රේණියේ කැතෝඩ ද්‍රව්‍යයක් නිපදවා ඇත (රූපය 4A) .මෙම ද්‍රව්‍යයේ, සෑම අංශුවකටම Ni-පොහොසත් මධ්‍යම තොගයක් සහ Mn-පොහොසත් පිටත තට්ටුවක් ඇත, Ni සාන්ද්‍රණය අඩුවීම සහ මතුපිටට ළඟා වන විට Mn සහ Co සාන්ද්‍රණය වැඩි වීම (රූපය 4B)පළමුවැන්න ඉහළ ධාරිතාවක් සපයන අතර දෙවැන්න තාප ස්ථායීතාවය වැඩි දියුණු කරයි.මෙම නව කැතෝඩ ද්රව්ය බැටරිවල විද්යුත් රසායනික ක්‍රියාකාරිත්වයට හානියක් නොවන පරිදි ඒවායේ ආරක්ෂාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා පෙන්වා දෙන ලදී (රූපය 4C).
Fig. 4 අදියර 2 හි ගැටළු විසඳීමට උපාය මාර්ග: විශ්වසනීය කැතෝඩ.
(A) සාන්ද්‍රණ-ශ්‍රේණිගත බාහිර ස්ථරයකින් වට වූ Ni-rich core සහිත ධන ඉලෙක්ට්රෝඩ අංශුවක ක්‍රමානුරූප රූප සටහන.සෑම අංශුවකටම Ni- පොහොසත් මධ්‍යම තොගයක් Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 සහ Mn පොහොසත් පිටත ස්ථරයක් [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] ඇති අතර Ni සාන්ද්‍රණය අඩුවීම සහ Mn සහ Co සාන්ද්‍රණය වැඩි වේ. මතුපිටට ළඟා වන විට.පළමුවැන්න ඉහළ ධාරිතාවක් සපයන අතර දෙවැන්න තාප ස්ථායීතාවය වැඩි දියුණු කරයි.සාමාන්ය සංයුතිය Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2 වේ.සාමාන්ය අංශුවක ස්කෑන් කරන ඉලෙක්ට්‍රෝන මයික්‍රොග්‍රැෆ් එකක් ද දකුණු පසින් පෙන්වයි.(B) අවසාන ලිතියේටඩ් ඔක්සයිඩ් Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2 හි ඉලෙක්ට්‍රෝන පරීක්ෂණ x-ray ක්ෂුද්‍ර විශ්ලේෂණ ප්‍රතිඵල.අන්තර් ස්ථරයේ Ni, Mn සහ Co හි ක්රමානුකූල සාන්ද්‍රණය වෙනස් වීම පැහැදිලි වේ.Ni සාන්ද්‍රණය අඩු වන අතර Co සහ Mn සාන්ද්‍රණය මතුපිට දෙසට වැඩි වේ.(C) සාන්ද්‍රණ-ශ්‍රේණි ද්රව්ය Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, Ni-පොහොසත් මධ්‍ය ද්රව්ය Li(Ni0.8Co0.1Mn0) සමඟ විද්යුත් විච්ඡේදකයේ ප්‍රතික්‍රියාවෙන් තාප ප්‍රවාහය පෙන්වන අවකල ස්කෑනිං කැලරිමිතිය (DSC) සලකුණු. 1)O2, සහ Mn පොහොසත් පිටත ස්ථරය [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2].ද්රව්ය 4.3 V. (A), (B), සහ (C) වෙත ආරෝපණය කර ඇති අතර ඒවා Springer Nature වෙතින් අවසරය ඇතිව ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කෙරේ.(D) වම: සම්ප්‍රේෂණ ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂය (TEM) AlPO4 නැනෝ අංශු-ආලේපිත LiCoO2 හි දීප්තිමත් ක්ෂේත්‍ර රූපය;බලශක්ති විසරණ x-ray වර්ණාවලීක්ෂය මගින් ආෙල්පන ස්ථරයේ Al සහ P සංරචක තහවුරු කරයි.දකුණ: නැනෝ පරිමාණ ආෙල්පන ස්ථරයේ AlPO4 නැනෝ අංශු (විෂ්කම්භය ~3 nm) පෙන්වන අධි-විභේදන TEM රූපය;ඊතල මගින් AlPO4 ස්ථරය සහ LiCoO2 අතර අතුරු මුහුණත දක්වයි.(E) වම: 12-V අධිආරෝපණ පරීක්ෂණයෙන් පසු හිස් LiCoO2 කැතෝඩයක් අඩංගු සෛලයක පින්තූරයක්.එම වෝල්ටීයතාවයට සෛලය පිපිරී පුපුරා ගියේය.දකුණ: 12-V අධි ආරෝපණ පරීක්ෂණයෙන් පසුව AlPO4 නැනෝ අංශු-ආලේපිත LiCoO2 අඩංගු සෛලයක පින්තූරයක්.(D) සහ (E) ජෝන් විලී සහ පුත්‍රයන්ගේ අවසරය ඇතිව ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කෙරේ.
තාප ස්ථායීතාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා තවත් උපාය මාර්ගයක් වන්නේ කැතෝඩ ද්රව්ය තාප ස්ථායී Li+ සන්නායක සංයෝගවල ආරක්ෂිත තුනී ස්ථරයකින් ආලේප කිරීමයි, එමඟින් කැතෝඩ ද්රව්ය ඉලෙක්ට්රෝලය සමඟ සෘජුව සම්බන්ධ වීම වැළැක්විය හැකි අතර එමඟින් අතුරු ප්රතික්රියා සහ තාප උත්පාදනය අඩු කළ හැකිය.ආෙල්පන අකාබනික චිත්‍රපට විය හැක [උදාහරණයක් ලෙස, ZnO , Al2O3, AlPO4 , AlF3 , ආදිය], ලිතියේට් කිරීමෙන් පසු Li අයන සන්නයනය කළ හැක (රූපය 4, D සහ E), හෝ කාබනික චිත්‍රපට, එනම් poly(diallyldimethylammonium chloride) , γ-බියුටිරොලැක්ටෝන් ආකලන මගින් සාදන ලද ආරක්ෂිත චිත්‍රපට සහ බහු සංරචක ආකලන (vinylene carbonate, 1,3-propylene sulfite, සහ dimethylacetamide වලින් සමන්විත) .
ධනාත්මක උෂ්ණත්ව සංගුණකයක් සහිත ආලේපනයක් හඳුන්වාදීම කැතෝඩ ආරක්ෂාව වැඩි කිරීම සඳහා ද ඵලදායී වේ.උදාහරණයක් ලෙස, සන්නායක බහුඅවයවික ස්තරය ඉතා ප්‍රතිරෝධී තත්ත්වයකට වේගයෙන් පරිණාමනය විය හැකි බැවින්, පොලි(3-ඩෙසිල්තියෝෆෙන්)-ආලේපිත LiCoO2 කැතෝඩ වලට උෂ්ණත්වය >80°C දක්වා ඉහළ ගිය පසු විද්යුත් රසායනික ප්රතික්රියා සහ අතුරු ප්රතික්රියා වසා දැමිය හැක.අධි ශාඛා ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය සහිත ස්වයං-අවසන් කරන ලද ඔලිගොමර් වල ආලේපන කැතෝඩ පැත්තෙන් බැටරිය වසා දැමීම සඳහා තාප ප්‍රතිචාර දක්වන අවහිර කිරීමේ ස්ථරයක් ලෙසද ක්රියා කළ හැකිය.
තාප මාරු කළ හැකි ධාරා එකතු කරන්නා.2 අදියරේදී බැටරි උෂ්ණත්වය ඉහළ යාමේදී විද්යුත් රසායනික ප්රතික්රියා වසා දැමීමෙන් උෂ්ණත්වය තවදුරටත් ඉහළ යාම කාර්යක්ෂමව වැළැක්විය හැකිය.වේගවත් හා ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි තාප ප්‍රතික්‍රියාශීලී බහු අවයවික මාරු කිරීමක් (TRPS) වත්මන් එකතු කරන්නා තුළට අභ්‍යන්තරව ඇතුළත් කර ඇත (රූපය 5A) .TRPS තුනී පටලය සන්නායක පිරවුම ලෙස සන්නායක ග්‍රැෆීන් ආලේපිත ස්පයිකි නැනෝ ව්‍යුහගත නිකල් (GrNi) අංශු සහ විශාල තාප ප්‍රසාරණ සංගුණකය (α ~ 10-4 K−1) සහිත PE න්‍යාසයකින් සමන්විත වේ.සකස් කරන ලද බහු අවයවික සංයුක්ත පටල කාමර උෂ්ණත්වයේ දී ඉහළ සන්නායකතාව (σ) පෙන්නුම් කරයි, නමුත් උෂ්ණත්වය මාරු වන උෂ්ණත්වයට ළඟා වන විට (Ts), සන්නායක අංශු වෙන් කර සන්නායක මාර්ග බිඳ දමන බහුඅවයව පරිමා ප්‍රසාරණයේ ප්රතිඵලයක් ලෙස සන්නායකතාව තත්පර 1 කින් විශාලත්වයේ ඇණවුම් හතේ සිට අට දක්වා අඩු වේ (රූපය 5B)චිත්‍රපටිය ක්ෂණිකව පරිවරණය වන අතර එමඟින් බැටරි ක්‍රියාකාරිත්වය අවසන් කරයි (රූපය 5C)මෙම ක්රියාවලිය අතිශයින් ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි අතර කාර්ය සාධනයට හානියක් නොවන පරිදි අධික උනුසුම් සිදුවීම් කිහිපයකින් පසුව පවා ක්රියා කළ හැක.
Fig. 5 අදියර 2 හි ගැටළු විසඳීමට උපාය මාර්ග.
(A) TRPS ධාරා එකතු කරන්නාගේ තාප මාරු කිරීමේ යාන්ත්‍රණයේ ක්රමානුකූල නිදර්ශනය.ආරක්ෂිත බැටරිය තුනී TRPS ස්ථරයකින් ආලේප කර ඇති වත්මන් එකතුකරන්නන් එකක් හෝ දෙකක් ඇත.එය සාමාන්යයෙන් කාමර උෂ්ණත්වයේ දී ක්රියා කරයි.කෙසේ වෙතත්, ඉහළ උෂ්ණත්වයකදී හෝ විශාල ධාරාවකදී, බහු අවයවික අනුකෘතිය ප්‍රසාරණය වන අතර එමඟින් සන්නායක අංශු වෙන් කරයි, එමඟින් එහි සන්නායකතාවය අඩු කළ හැකිය, එහි ප්‍රතිරෝධය විශාල ලෙස වැඩි කර බැටරිය වසා දමයි.එමගින් බැටරි ව්යුහය හානියකින් තොරව ආරක්ෂා කළ හැකිය.සිසිලනය මත, බහු අවයවකය හැකිලෙන අතර මුල් සන්නායක මාර්ග නැවත ලබා ගනී.(B) විවිධ GrNi පැටවීම් සහිත PE/GrNi සහ GrNi හි 30% (v/v) පූරණයක් සහිත PP/GrNi ඇතුළුව උෂ්ණත්වයේ ශ්‍රිතයක් ලෙස විවිධ TRPS පටලවල ප්රතිරෝධක වෙනස්වීම්.(C) 25°C සහ වසා දැමීම අතර ආරක්ෂිත LiCoO2 බැටරි චක්‍රයේ ධාරිතා සාරාංශය.70 ° C හි ශුන්‍යයට ආසන්න ධාරිතාව සම්පූර්ණ වසා දැමීම පෙන්නුම් කරයි.(A), (B), සහ (C) ස්ප්‍රින්ගර් නේචර්ගේ අවසරය ඇතිව ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කෙරේ.(D) LIB සඳහා ක්ෂුද්‍ර ගෝලය මත පදනම් වූ වසා දැමීමේ සංකල්පයේ ක්රමානුකූල නිරූපණය.තීරනාත්මක අභ්යන්තර බැටරි උෂ්ණත්වයකට වඩා වැඩි තාප සංක්‍රාන්තියක් (දියවීම) සිදු වන තාප ප්‍රතිචාරාත්මක ක්ෂුද්‍ර ගෝල සමඟ ඉලෙක්ට්රෝඩ ක්‍රියාත්මක වේ.උණු කළ කැප්සියුල ඉලෙක්ට්රෝඩ මතුපිට ආවරණය කරයි, අයනික පරිවාරක බාධකයක් සාදමින් බැටරි සෛලය වසා දමයි.(E) 94% ඇලුමිනා අංශු සහ 6% ස්ටයිරීන්-බියුටැඩීන් රබර් (SBR) බන්ධකයකින් සමන්විත තුනී සහ ස්වයං-ස්ථායී අකාබනික සංයුක්ත පටලයක් ද්‍රාවණ වාත්තු ක්‍රමයක් මගින් සකස් කරන ලදී.දකුණ: අකාබනික සංයුක්ත බෙදුම්කරු සහ PE බෙදුම්කරුගේ තාප ස්ථායීතාවය පෙන්වන ඡායාරූප.බෙදුම්කරුවන් විනාඩි 40 ක් සඳහා 130 ° C දී පවත්වන ලදී.තිත් සහිත චතුරස්‍රය සහිත ප්‍රදේශයෙන් PE සැලකිය යුතු ලෙස හැකිලී ගියේය.කෙසේ වෙතත්, සංයුක්ත බෙදුම්කරු පැහැදිලි හැකිලීමක් නොපෙන්වයි.එල්සෙවියර්ගේ අවසරය ඇතිව ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කරන ලදී.(F) අඩු ඉහළ-උෂ්ණත්ව හැකිලීමක් සහිත බෙදුම් ද්රව්ය ලෙස සමහර අධි-ද්‍රවායන උෂ්ණත්ව බහු අවයවකවල අණුක ව්යුහය.ඉහළ: පොලිමයිඩ් (PI).මැද: සෙලියුලෝස්.පහළ: පොලි(බියුටිලීන්) ටෙරෙප්තලේට්.(G) වම: PI හි DSC වර්ණාවලිය PE සහ PP බෙදුම්කරු සමඟ සංසන්දනය කිරීම;PI බෙදුම්කරු 30 ° සිට 275 ° C දක්වා උෂ්ණත්ව පරාසයක විශිෂ්ට තාප ස්ථායීතාවයක් පෙන්නුම් කරයි.දකුණ: ප්‍රොපිලීන් කාබනේට් විද්යුත් විච්ඡේදකයක් සමඟ වාණිජ බෙදුම්කරු සහ සංස්ලේෂණය කරන ලද PI බෙදුම්කරුගේ තෙත් බව සංසන්දනය කරන ඩිජිටල් කැමරා ඡායාරූප.ඇමරිකානු රසායනික සංගමයේ අවසරය ඇතිව ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කරන ලදී.
තාප වසා දැමීමේ බෙදුම්කරුවන්.දෙවන අදියරේදී බැටරි තාපයෙන් ධාවනය වීම වැළැක්වීමේ තවත් උපාය මාර්ගයක් වන්නේ බෙදුම්කරු හරහා Li අයන වල සන්නායක මාර්ගය වසා දැමීමයි.අයනික ප්‍රවාහනයට ඉඩ දෙමින් අධි ශක්ති කැතෝඩ සහ ඇනෝඩ ද්රව්ය අතර සෘජු විද්යුත් සම්බන්ධතා වළක්වන බැවින්, LIB වල ආරක්ෂාව සඳහා වෙන් කරන්නන් ප්‍රධාන සංරචක වේ.PP සහ PE යනු බහුලව භාවිතා වන ද්රව්ය වේ, නමුත් ඒවාට දුර්වල තාප ස්ථායීතාවයක් ඇත, පිළිවෙළින් ~ 165 ° සහ ~ 135 ° C ද්රවාංක සමග.වාණිජ LIB සඳහා, PP/PE/PP ට්‍රයිලේයර් ව්‍යුහයක් සහිත බෙදුම්කරුවන් දැනටමත් වාණිජකරණය කර ඇත, PE යනු ආරක්ෂිත මැද ස්ථරයකි.බැටරියේ අභ්යන්තර උෂ්ණත්වය තීරණාත්මක උෂ්ණත්වයකට (~130°C) වඩා වැඩි වූ විට, සිදුරු සහිත PE ස්ථරය අර්ධ වශයෙන් දියවී, පටල සිදුරු වැසීම සහ ද්රව ඉලෙක්ට්රෝලය තුළ අයන සංක්‍රමණය වීම වළක්වන අතර, PP ස්ථරය අභ්‍යන්තරය වළක්වා ගැනීමට යාන්ත්රික සහාය සපයයි. කෙටි කිරීම .විකල්පයක් ලෙස, තාප ප්‍රේරිත PE හෝ පැරෆින් ඉටි මයික්‍රොස්පියර් බැටරි ඇනෝඩ හෝ බෙදුම්කරුවන්ගේ ආරක්ෂිත ස්ථරය ලෙස භාවිතා කිරීමෙන් LIB තාප ප්‍රේරිත වසා දැමීම ද ලබා ගත හැක.අභ්යන්තර බැටරි උෂ්ණත්වය තීරණාත්මක අගයකට ළඟා වූ විට, ක්ෂුද්‍රගෝල දියවී ඇනෝඩය/විභේදකය පාරගම්‍ය නොවන බාධකයකින් ආලේප කරයි, Li-ion ප්‍රවාහනය නතර කර සෛලය ස්ථිරව වසා දමයි (රූපය 5D).
ඉහළ තාප ස්ථායීතාවයක් සහිත බෙදුම්කරුවන්.බැටරි බෙදුම්කරුවන්ගේ තාප ස්ථායීතාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා, පසුගිය වසර කිහිපය තුළ ප්රවේශයන් දෙකක් සංවර්ධනය කර ඇත:
(1) සෙරමික්-වැඩිදියුණු කළ බෙදුම්කරුවන්, දැනට පවතින පොලිඔලේෆින් බෙදුම්කරු පෘෂ්ඨ මත සෘජු ආලේපනයකින් හෝ SiO2 සහ Al2O3 වැනි සෙරමික් ස්ථරවල මතුපිට වර්ධනයෙන් හෝ බහු අවයවීය ද්‍රව්‍යවල තැන්පත් කර ඇති සෙරමික් කුඩු තිබීමෙන් (රූපය 5E) , ඉතා ඉහළ ද්රවාංක සහ ඉහළ යාන්ත්රික ශක්තියක් පෙන්නුම් කරන අතර සාපේක්ෂ ඉහළ තාප සන්නායකතාවක් ද ඇත.මෙම උපාය මාර්ගය හරහා ගොතන ලද සමහර සංයුක්ත බෙදුම්කරුවන් Separion (වෙළඳ නාමයක්) වැනි වාණිජකරණය කර ඇත.
(2) පොලිමයිඩ්, සෙලියුලෝස්, පොලි(බියුටිලීන්) ටෙරෙෆ්තලේට්, සහ අනෙකුත් සමාන පොලි(එස්ටර්) වැනි උනුසුම් වීමේදී අඩු හැකිලීමක් සහිත පොලිඔලිෆින් සිට ඉහළ-ද්‍රවායන උෂ්ණත්ව පොලිමර් දක්වා බෙදුම්කරු ද්රව්ය වෙනස් කිරීම තාප ස්ථායීතාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා තවත් ඵලදායී උපාය මාර්ගයකි. වෙන් කරන්නන් (රූපය 5F)උදාහරණයක් ලෙස, polyimide යනු එහි විශිෂ්ට තාප ස්ථායීතාවය (400°C ට වඩා ස්ථායී වීම), හොඳ රසායනික ප්‍රතිරෝධය, ඉහළ ආතන්ය ශක්තිය, හොඳ ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් තෙත් බව සහ ගිනි දැල්වීම නිසා හොඳ විකල්පයක් ලෙස පුළුල් ලෙස සැලකෙන තාප සැකසුම් බහුඅවයවයකි (රූපය 5G) .
සිසිලන කාර්යය සහිත බැටරි පැකේජ.බැටරි කාර්ය සාධනය වැඩි දියුණු කිරීමට සහ උෂ්ණත්වය වැඩිවීම මන්දගාමී කිරීමට වාතය හෝ දියර සිසිලනය මගින් සක්‍රීය කරන ලද උපාංග පරිමාණ තාප කළමනාකරණ පද්ධති භාවිතා කර ඇත.මීට අමතරව, පැරෆින් ඉටි වැනි අදියර වෙනස් කිරීමේ ද්රව්ය බැටරි ඇසුරුම්වලට ඒකාබද්ධ කර ඒවායේ උෂ්ණත්වය නියාමනය කිරීම සඳහා තාප සින්ක් ලෙස ක්රියා කරයි, එබැවින් උෂ්ණත්ව අපයෝජනයන් වළක්වා ඇත.
අදියර 3 හි ගැටළු විසඳීමට (දහන හා පිපිරීම)
"ගිනි ත්රිකෝණය" ලෙස හඳුන්වන තාපය, ඔක්සිජන් සහ ඉන්ධන බොහෝ ගිනි ගැනීම් සඳහා අවශ්ය අමුද්රව්ය වේ.අදියර 1 සහ 2 තුළ ජනනය වන තාපය හා ඔක්සිජන් සමුච්චය වීමත් සමඟ, ඉන්ධන (එනම්, අධික ලෙස දැවෙන ඉලෙක්ට්රෝලය) ස්වයංක්රීයව දහනය වීමට පටන් ගනී.ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් ද්‍රාවකවල දැවෙන බව අඩු කිරීම බැටරි ආරක්ෂාව සහ LIB වල තවදුරටත් මහා පරිමාණ යෙදුම් සඳහා ඉතා වැදගත් වේ.
ගිනි නිවන අතිෙර්ක.ද්රව ඉලෙක්ට්රෝටේට් වල ගිනිගැනීම් අඩු කිරීම සඳහා ගිනි දැල්-ප්රතිරෝධක ආකලන සංවර්ධනය කිරීම සඳහා දැවැන්ත පර්යේෂණ ප්රයත්නයන් කැප කර ඇත.ද්රව ඉලෙක්ට්රෝටේට් වල භාවිතා වන බොහෝ ගිනි නිවන ආකලන කාබනික පොස්පරස් සංයෝග හෝ කාබනික හැලජනිත සංයෝග මත පදනම් වේ.හැලජන් පරිසරයට සහ මිනිස් සෞඛ්‍යයට අනතුරුදායක වන බැවින්, කාබනික පොස්පරස් සංයෝග ඒවායේ ඉහළ ගිනිදැල් වළක්වා ගැනීමේ හැකියාව සහ පරිසර හිතකාමීත්වය නිසා ගිනි නිවන ආකලන ලෙස අපේක්ෂකයින්ට වඩාත් පොරොන්දු වේ.සාමාන්ය කාබනික පොස්පරස් සංයෝග අතර ට්‍රයිමෙතිල් පොස්පේට්, ට්රයිෆනයිල් පොස්පේට්, බිස් (2-මෙතොක්සයිතොක්සි) මෙතිලලිල්ෆොස්ෆොනේට්, ට්‍රයිස් (2,2,2-ට්‍රයිෆ්ලෝරෝඑතිල්) ෆොස්ෆයිට්, (එතොක්සි) පෙන්ටෆ්ලෝරෝසයික්ලොට්‍රිපොස්පේසීන්, එතිලීන්, එතිලීන් යනාදිය ඇතුළත් වේ.රූපය 6A)මෙම පොස්පරස් අඩංගු සංයෝගවල ගිනි දැල්වීමේ ප්‍රතිවිපාක සඳහා වන යාන්ත්‍රණය සාමාන්යයෙන් විශ්වාස කරන්නේ රසායනික රැඩිකල්-කසල ක්‍රියාවලියක් ලෙසය.දහනය අතරතුර, පොස්පරස් අඩංගු අණු පොස්පරස් අඩංගු නිදහස් රැඩිකල් විශේෂ වලට දිරාපත් විය හැකි අතර, එමඟින් අඛණ්ඩ දහනය සඳහා වගකිව යුතු දාම ප්රතික්රියා ප්‍රචාරණයේදී ජනනය වන රැඩිකලුන් (උදාහරණයක් ලෙස, H සහ OH රැඩිකලුන්) අවසන් කළ හැකිය.රූපය 6, B සහ C) .අවාසනාවකට මෙන්, මෙම පොස්පරස් අඩංගු ගිනි නිවන ද්රව්ය එකතු කිරීමත් සමඟ දැවිල්ල අඩු කිරීම විද්යුත් රසායනික ක්‍රියාකාරිත්වයේ වියදමින් පැමිණේ.මෙම වෙළඳාම වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා, අනෙකුත් පර්යේෂකයන් ඔවුන්ගේ අණුක ව්‍යුහයට යම් යම් වෙනස් කිරීම් සිදු කර ඇත: (i) ඇල්කයිල් පොස්පේට් අර්ධ වශයෙන් ෆ්ලෝරීකරණය කිරීමෙන් ඒවායේ අඩු කිරීමේ ස්ථායීතාවය සහ ඒවායේ ගිනි දැල්වීමේ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කළ හැකිය;(ii) ඇලිලික් කාණ්ඩ බහුඅවයවීකරණය කර මිනිරන් පෘෂ්ඨ මත ස්ථායී SEI පටලයක් සෑදිය හැකි bis(2-methoxyethoxy)methylallylphosphonate වැනි ආරක්ෂිත චිත්‍රපට සෑදීමේ සහ ගිනි දැල්වීමේ ගුණ යන දෙකම ඇති සංයෝග භාවිතය, එමගින් ඵලදායී ලෙස අන්තරායකර පැත්ත වළක්වයි. ප්රතික්රියා;(iii) SEI සෑදීමට පහසුකම් සපයන සහ අන්තරායකර PF5 [උදාහරණයක් ලෙස ට්‍රයිස්(2,2,2-ට්‍රයිෆ්ලෝරෝඑතිල්) ෆොස්ෆයිට්] අක්‍රිය කිරීමේ හැකියාව ඇති P(V) පොස්පේට් P(III) ෆොස්ෆයිට් ලෙස වෙනස් කිරීම;සහ (iv) වැඩි දියුණු කරන ලද විද්යුත් රසායනික ගැළපුම ඇති චක්‍රීය පොස්පේසීන්, විශේෂයෙන් ෆ්ලෝරිනීකෘත සයික්ලොෆොස්පේන් සමඟ කාබනික පොස්පරස් ආකලන ප්‍රතිස්ථාපනය කිරීම.
Fig. 6 අදියර 3 හි ගැටළු විසඳීමට උපාය මාර්ග.
(A) ගිනි-ප්‍රතිරෝධී ආකලනවල සාමාන්ය අණුක ව්‍යුහයන්.(B) මෙම පොස්පරස් අඩංගු සංයෝගවල ගිනි දැල්වීමේ ප්‍රතිවිපාක සඳහා යාන්ත්‍රණය සාමාන්යයෙන් විශ්වාස කරන්නේ රසායනික රැඩිකල්-කැපීමේ ක්‍රියාවලියක් වන අතර එමඟින් වායු අවධියේදී දහන ප්‍රතික්‍රියාවට වගකිව යුතු රැඩිකල් දාම ප්රතික්රියා අවසන් කළ හැකිය.TPP, ට්රයිෆනයිල් පොස්පේට්.(C) ට්‍රයිෆීනයිල් පොස්පේට් එකතු කිරීමත් සමඟ සාමාන්ය කාබනේට් ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් වල ස්වයං-නිවා දැමීමේ කාලය (SET) සැලකිය යුතු ලෙස අඩු කළ හැක.(D) LIBs සඳහා තාප-ප්‍රේරණය කරන ලද ගිනි-ප්රතිරෝධක ගුණ සහිත “ස්මාර්ට්” ඉලෙක්ට්‍රොස්පන් බෙදුම්කරුගේ ක්‍රමානුකුලව.නිදහස්-ස්ථායී බෙදුම්කරු කේන්ද්‍රීය කවච ව්‍යුහයක් සහිත ක්ෂුද්‍ර තන්තු වලින් සමන්විත වන අතර එහිදී ගිනි නිවනය හරය වන අතර පොලිමර් කවචය වේ.තාප ප්‍රේරකය මත, පොලිමර් කවචය දිය වී පසුව සංවෘත ගිනි නිවන ද්‍රව්‍යය විද්යුත් විච්ඡේදකයට මුදා හරින අතර එමඟින් විද්යුත් විච්ඡේදක ජ්වලනය සහ දහනය ඵලදායි ලෙස මර්දනය කරයි.(E) TPP@PVDF-HFP මයික්‍රෝ ෆයිබර් කැටයම් කිරීමෙන් පසු SEM රූපය ඒවායේ මූලික කවච ව්යුහය පැහැදිලිව පෙන්වයි.පරිමාණ තීරුව, 5 μm.(F) කාමර උෂ්ණත්වයේ අයනික ද්‍රවයේ සාමාන්ය අණුක ව්‍යුහයන් LIB සඳහා ගිනි නොගන්නා ඉලෙක්ට්රෝලය ලෙස භාවිතා කරයි.(G) ගිනි නොගන්නා perfluorinated PEO ප්‍රතිසමයක් වන PFPE හි අණුක ව්යුහය.වත්මන් බැටරි පද්ධති සමඟ අණු වල ගැළපුම සහතික කිරීම සඳහා පොලිමර් දාමවල පර්යන්ත මත මෙතිල් කාබනේට් කාණ්ඩ දෙකක් වෙනස් කර ඇත.
ඉහත අණුක සැලසුම් හරහා මෙම සම්මුතිය වැඩි දියුණු කර ඇතත්, ලැයිස්තුගත කර ඇති ආකලන සඳහා ඉලෙක්ට්රෝලය සහ සෛල ක්‍රියාකාරිත්වය අඩුවීම අතර සෑම විටම වෙළඳාමක් පවතින බව සටහන් කළ යුතුය.මෙම ගැටළුව විසඳීම සඳහා තවත් යෝජිත උපාය මාර්ගයක් වන්නේ මයික්‍රෝ ෆයිබර් වල ආරක්ෂිත පොලිමර් කවචය තුළ ගිනි නිවන ද්රව්ය ඇතුළත් කිරීම, වියන ලද බෙදුම්කරුවෙකු සෑදීම සඳහා තවදුරටත් ගොඩගැසී ඇත (රූපය 6D) .LIB සඳහා තාප-ප්‍රේරණය කරන ලද ගිනි-ප්රතිරෝධක ගුණ සහිත නව ඉලෙක්ට්‍රොස්පුන් නොවියන ලද මයික්‍රොෆයිබර් බෙදුම්කරුවෙකු නිපදවන ලදී.ආරක්ෂිත පොලිමර් කවචය තුළ ඇති ගිනි නිවන ද්රව්ය ආවරණය කිරීම මඟින් විදුලි විච්ඡේදකයට ගිනි නිවන ද්රව්ය සෘජුවම නිරාවරණය වීම වළක්වයි, බැටරියේ විද්යුත් රසායනික ක්‍රියාකාරිත්වයට රිටාර්ඩන්ට් වලින් ඇති වන negative ණාත්මක බලපෑම් වළක්වයි (රූපය 6E)කෙසේ වෙතත්, LIB බැටරියේ තාප ගැලීමක් සිදුවුවහොත්, උෂ්ණත්වය වැඩි වන විට පොලි(vinylidenefluoride-hexafluoro propylene) copolymer (PVDF-HFP) කවචය දිය වේ.එවිට සංවෘත ට්‍රයිෆීනයිල් පොස්පේට් ගිනි නිවන ද්‍රව්‍යය ඉලෙක්ට්රෝලය තුළට මුදා හරිනු ඇත, එමඟින් අධික ලෙස දැවෙන විද්යුත් විච්ඡේදක දහනය ඵලදායී ලෙස මර්දනය කරයි.
මෙම උභතෝකෝටිකය විසඳීම සඳහා "ලුණු සාන්ද්‍රිත ඉලෙක්ට්රෝලය" සංකල්පයක් ද වර්ධනය විය.නැවත ආරෝපණය කළ හැකි බැටරි සඳහා වන මෙම ගිනි නිවන කාබනික විද්යුත් විච්ඡේදක වල LiN(SO2F)2 ලවණ ලෙසද ජනප්‍රිය ට්‍රයිමෙතිල් පොස්පේට් (TMP) ගිනි නිවන ද්‍රාවකය ලෙසද අඩංගු වේ.ස්ථායී විද්යුත් රසායනික ක්‍රියාකාරිත්වය සඳහා ඇනෝඩය මත ශක්තිමත් ලවණ ව්‍යුත්පන්න අකාබනික SEI ස්වයංසිද්ධව සෑදීම ඉතා වැදගත් වේ.මෙම නව උපායමාර්ගය වෙනත් විවිධ ගිනි නිවන ද්රව්ය වෙත ව්‍යාප්ත කළ හැකි අතර ආරක්ෂිත LIB සඳහා නව ගිනි-ප්රතිරෝධක ද්‍රාවක සංවර්ධනය සඳහා නව මාවතක් විවර කළ හැකිය.
ගිනි නොගන්නා ද්රව ඉලෙක්ට්රෝලය.විද්යුත් විච්ඡේදකයේ ආරක්ෂිත ගැටළු සඳහා අවසාන විසඳුම වනුයේ සහජයෙන්ම ගිනි නොගන්නා ඉලෙක්ට්රෝලය නිපදවීමයි.පුළුල් ලෙස අධ්‍යයනය කර ඇති ගිනි නොගන්නා විද්යුත් විච්ඡේදක සමූහයක් වන්නේ අයනික ද්රව, විශේෂයෙන් කාමර උෂ්ණත්ව අයනික ද්රව, වාෂ්පශීලී නොවන (200°Cට අඩු වාෂ්ප පීඩනයක් නොමැත) සහ ගිනි නොගන්නා සහ පුළුල් උෂ්ණත්ව කවුළුවක් ඇති (රූපය 6F) .කෙසේ වෙතත්, ඒවායේ ඉහළ දුස්ස්රාවීතාවය, අඩු Li මාරු අංකය, කැතෝඩික් හෝ අඩු කිරීමේ අස්ථායීතාවය සහ අයනික ද්‍රවවල අධික පිරිවැය හේතුවෙන් පැන නගින අඩු අනුපාත හැකියාව පිළිබඳ ගැටළු විසඳීමට අඛණ්ඩ පර්යේෂණ තවමත් අවශ්ය වේ.
අඩු අණුක බර හයිඩ්‍රොෆ්ලෝරෝඊතර් යනු ඒවායේ ඉහළ හෝ ෆ්ලෑෂ් ලක්ෂ්‍යය, ගිනි නොගැනීම, අඩු පෘෂ්ඨික ආතතිය, අඩු දුස්ස්රාවිතතාවය, අඩු කැටි උෂ්ණත්වය යනාදිය හේතුවෙන් ගිනි නොගන්නා ද්රව විද්යුත් විච්ඡේදකවල තවත් පන්තියකි.බැටරි විද්යුත් විච්ඡේදක නිර්ණායක සපුරාලීම සඳහා ඒවායේ රසායනික ගුණාංග අනුවර්තනය කිරීම සඳහා නිසි අණුක නිර්මාණය කළ යුතුය.මෑතකදී වාර්තා වූ රසවත් උදාහරණයක් නම්, එහි ගිනි නොගැනීම සඳහා ප්‍රසිද්ධ වූ perfluorinated polyethylene oxide (PEO) ප්‍රතිසමයක් වන perfluoropolyether (PFPE) වේ.රූපය 6G) .වත්මන් බැටරි පද්ධති සමඟ අණු වල ගැළපුම සහතික කිරීම සඳහා PFPE දාමවල (PFPE-DMC) පර්යන්ත කණ්ඩායම් මත මෙතිල් කාබනේට් කාණ්ඩ දෙකක් වෙනස් කර ඇත.මේ අනුව, අද්විතීය අණුක ව්‍යුහ සැලසුම හේතුවෙන් විද්යුත් විච්ඡේදක සංක්‍රමණ අංකය වැඩි කරන අතරම PFPE වල ගිනි නොගැනීම් සහ තාප ස්ථායීතාවය LIB වල ආරක්ෂාව සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කළ හැකිය.
අදියර 3 යනු තාප ගැලීමේ ක්රියාවලිය සඳහා අවසාන නමුත් විශේෂයෙන් තීරණාත්මක අවස්ථාවයි.නවීන ද්රව විද්යුත් විච්ඡේදකයේ දැවෙන බව අවම කිරීම සඳහා මහත් පරිශ්‍රමයක් දැරුවද, වාෂ්පශීලී නොවන ඝණ රාජ්‍ය විද්යුත් විච්ඡේදක භාවිතය විශාල පොරොන්දුවක් පෙන්නුම් කරන බව සඳහන් කළ යුතුය.ඝන විද්යුත් විච්ඡේදක ප්‍රධාන වශයෙන් කාණ්ඩ දෙකකට අයත් වේ: අකාබනික සෙරමික් විද්යුත් විච්ඡේදක [සල්ෆයිඩ්, ඔක්සයිඩ්, නයිට්‍රයිඩ, පොස්පේට්, ආදිය] සහ ඝණ පොලිමර් ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් [පොලි(එතිලීන් ඔක්සයිඩ්), පොලිඇක්‍රිලෝනයිට්‍රයිල් වැනි පොලිමර් සමඟ Li ලවණ මිශ්‍ර කිරීම.මෙම මාතෘකාව මෑත කාලීන සමාලෝචන කිහිපයකින් දැනටමත් හොඳින් සාරාංශ කර ඇති බැවින්, ඝන ඉලෙක්ට්රෝලය වැඩි දියුණු කිරීමේ උත්සාහයන් මෙහි විස්තර නොකෙරේ.
ඉදිරි දැක්ම
අතීතයේ දී, බැටරියේ ආරක්ෂාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා බොහෝ නව්‍ය ද්රව්ය සංවර්ධනය කර ඇතත්, ගැටළුව තවමත් සම්පූර්ණයෙන් විසඳා නැත.මීට අමතරව, එක් එක් බැටරි රසායන විද්යාව සඳහා ආරක්ෂණ ගැටළු වලට යටින් පවතින යාන්ත්‍රණ වෙනස් වේ.මේ අනුව, විවිධ බැටරි සඳහා සකස් කරන ලද නිශ්චිත ද්රව්ය නිර්මාණය කළ යුතුය.වඩාත් කාර්යක්ෂම ක්රම සහ හොඳින් සැලසුම් කරන ලද ද්රව්ය සොයා ගැනීමට ඉතිරිව ඇති බව අපි විශ්වාස කරමු.මෙන්න, අපි අනාගත බැටරි ආරක්ෂණ පර්යේෂණ සඳහා හැකි දිශාවන් කිහිපයක් ලැයිස්තුගත කරමු.
පළමුව, LIB වල අභ්යන්තර සෞඛ්‍ය තත්ත්වයන් හඳුනා ගැනීම සහ අධීක්ෂණය කිරීම සඳහා ස්ථානීය හෝ ඔපෙරාන්ඩෝ ක්‍රමවේද වර්ධනය කිරීම වැදගත් වේ.උදාහරණයක් ලෙස, තාප ධාවන ක්රියාවලිය LIBs තුළ අභ්යන්තර උෂ්ණත්වය හෝ පීඩනය වැඩිවීම සමඟ සමීපව සම්බන්ධ වේ.කෙසේ වෙතත්, බැටරි ඇතුළත උෂ්ණත්ව ව්යාප්තිය තරමක් සංකීර්ණ වන අතර, ඉලෙක්ට්රෝලය සහ ඉලෙක්ට්රෝඩ සඳහා මෙන්ම බෙදුම්කරුවන් සඳහා අගයන් නිවැරදිව නිරීක්ෂණය කිරීමට ක්රම අවශ්ය වේ.මේ අනුව, විවිධ සංරචක සඳහා මෙම පරාමිතීන් මැනීමට හැකිවීම රෝග විනිශ්චය සඳහා ඉතා වැදගත් වන අතර එමඟින් බැටරි ආරක්ෂණ උපද්‍රව වළක්වා ගත හැකිය.
බැටරි ආරක්ෂාව සඳහා බෙදුම්කරුවන්ගේ තාප ස්ථායීතාවය ඉතා වැදගත් වේ.ඉහළ ද්රවාංක සහිත අලුතින් සංවර්ධනය කරන ලද බහු අවයවක බෙදුම්කරුගේ තාප අඛණ්ඩතාව වැඩි කිරීම සඳහා ඵලදායී වේ.කෙසේ වෙතත්, ඒවායේ යාන්ත්රික ගුණාංග තවමත් බාල වන අතර, බැටරි එකලස් කිරීමේදී ඒවායේ ක්රියාවලිය බෙහෙවින් අඩු කරයි.එපමණක් නොව, ප්‍රායෝගික යෙදුම් සඳහා සලකා බැලිය යුතු වැදගත් සාධකයක් වන්නේ මිලයි.
ඝන විද්යුත් විච්ඡේදක සංවර්ධනය LIB වල ආරක්ෂිත ගැටළු සඳහා අවසාන විසඳුම බව පෙනේ.ඝන ඉලෙක්ට්රෝලය ගිනි හා පිපිරීම් අවදානම සමඟ බැටරි අභ්යන්තර කෙටි කාලීන සම්භාවිතාව බෙහෙවින් අඩු කරනු ඇත.ඝන විද්යුත් විච්ඡේදකවල ප්‍රගමනය සඳහා විශාල පරිශ්‍රමයක් දැරුවද, ඒවායේ ක්‍රියාකාරිත්වය ද්රව විද්යුත් විච්ඡේදකවලට වඩා බොහෝ පසුපසින් පවතී.අකාබනික සහ බහු අවයවීය ඉලෙක්ට්‍රොලයිට් වල සංයුති විශාල විභවයක් පෙන්නුම් කරයි, නමුත් ඒවාට සියුම් සැලසුම් සහ සූදානම අවශ්ය වේ.කාර්යක්ෂම Li-ion ප්‍රවාහනය සඳහා අකාබනික-පොලිමර් අතුරුමුහුණත් නිසි ලෙස සැලසුම් කිරීම සහ ඒවායේ පෙළගැස්ම පිළිබඳ ඉංජිනේරු විද්යාව ඉතා වැදගත් බව අපි අවධාරණය කරමු.
ද්රව ඉලෙක්ට්රෝලය දහනය කළ හැකි එකම බැටරි සංරචකය නොවන බව සැලකිල්ලට ගත යුතුය.උදාහරණයක් ලෙස, LIBs අධික ලෙස ආරෝපණය වන විට, දහනය කළ හැකි ලිතියේටඩ් ඇනෝඩ ද්රව්ය (උදාහරණයක් ලෙස, ලිතියේටඩ් ග්‍රැෆයිට්) ද විශාල ආරක්‍ෂාවක් වේ.ඝණ රාජ්‍ය ද්‍රව්‍යවල ගිනිගැනීම් කාර්යක්ෂමව මැඩපැවැත්විය හැකි ගිනි දැල්වීමේ ද්රව්ය ඒවායේ ආරක්ෂාව වැඩි කිරීම සඳහා ඉහළ ඉල්ලුමක් පවතී.ගිනි නිවන ද්රව්ය මිනිරන් සමඟ පොලිමර් බන්ධක හෝ සන්නායක රාමු ආකාරයෙන් මිශ්‍ර කළ හැක.
බැටරි ආරක්ෂාව තරමක් සංකීර්ණ හා සංකීර්ණ ගැටළුවකි.බැටරි ආරක්ෂාව පිළිබඳ අනාගතය, ද්රව්ය නිර්මාණයට මඟ පෙන්වීම සඳහා වැඩිදුර තොරතුරු ඉදිරිපත් කළ හැකි, වඩාත් දියුණු ගුනාංගීකරන ක්‍රමවලට අමතරව ගැඹුරු අවබෝධයක් සඳහා මූලික යාන්ත්රික අධ්‍යයනයන්හි වැඩි උත්සාහයක් ඉල්ලා සිටී.මෙම සමාලෝචනය ද්රව්ය මට්ටමේ ආරක්ෂාව කෙරෙහි අවධානය යොමු කළද, LIB වල ආරක්ෂිත ප්‍රශ්නය විසඳීම සඳහා තවදුරටත් පරිපූර්ණ ප්‍රවේශයක් අවශ්ය බව සටහන් කළ යුතුය, එහිදී ද්රව්ය, සෛල සංරචක සහ ආකෘතිය සහ බැටරි මොඩියුලය සහ ඇසුරුම් බැටරි විශ්වාසදායක කිරීමට සමාන කාර්යභාරයක් ඉටු කරයි. ඒවා වෙළඳපොළට නිකුත් කෙරේ.
යොමු කිරීම් සහ සටහන්
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, ලිතියම්-අයන බැටරි ආරක්ෂාව සඳහා ද්රව්ය, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
පසු කාලය: ජූනි-05-2021
