Двойной огнестойкий механизм способствует подавлению температурного разгона в литий-металлических батареях с улучшенными электрохимическими характеристиками

Двойной огнестойкий механизм способствует подавлению температурного разгона в литий-металлических батареях с улучшенными электрохимическими характеристиками

Хотя литий-металлические батареи (ЛМБ) были тщательно исследованы, их внедрение в качестве источников питания для транспортных средств остается сложной задачей с точки зрения безопасности и долговечности.

Поэтому, чтобы повысить безопасность и электрохимические характеристики литий-металлических батарей, команда, состоящая из Ки Дже Кима из факультета энергетических наук Университета Сунгюнкван, Хён Сына Кима из Центра перспективных исследований батарей Корейского института электронных технологий и Чан Ук Чхве из Школы химической и биологической инженерии и Научно-исследовательского института химических процессов Сеульского национального университета, разработала прецизионный сепаратор, состоящий из декабромдифенилэтана (DBDPE) и нанокомпозита CaO. Такая конструкция одновременно придает огнезащитные свойства и улучшает характеристики транспортировки литий-ионных аккумуляторов. Во время нормальной работы частицы CaO с покрытием улучшают транспорт ионов лития и улучшают циклические характеристики LMB за счет повышения эффективности циклирования металлического лития, не вызывая каких-либо побочных реакций. И наоборот, в аномальных условиях, особенно при высоких температурах, CaO и DBDPE с покрытием вступают в химическую реакцию, действуя как огнетушащий агент внутри LMB. ДБДПЭ проявляет огнезащитные характеристики в газовой фазе, образуя HBr при высоких температурах, который впоследствии реагирует с нанокристаллами CaO с образованием CaBr₂, обладающего огнезащитными свойствами в жидкой фазе. Следовательно, в полиэтиленовом сепараторе с покрытием DBDPE-CaO (DCPE) в LMB пакетного типа наблюдаются огнезащитные характеристики как в жидкой, так и в газовой фазе. Образование материалов на основе галогенов в LMB на месте объясняется огнезащитной стратегией, основанной на спонтанном химическом механизме. Таким образом, уникальная функциональность сепаратора DCPE улучшает как электрохимические характеристики, так и безопасность LMB. Эта работа под названием «Подавление теплового неконтроля с помощью двойного огнестойкого механизма в литий-металлических батареях с улучшенными электрохимическими характеристиками» была опубликована в журнале Advanced Energy Materials. Первый автор — Джин Хёк Ян.

Рисунок 1. Схематические диаграммы, иллюстрирующие механизм улучшения полиэтиленового сепаратора с покрытием из декабромдифенилэтана и оксида кальция (DCPE) по сравнению с полиэтиленовым сепаратором в а) нормальных и б) ненормальных условиях эксплуатации.

Рисунок 2. а) СЭМ-изображение синтезированного нанокомпозита ДБДПЭ-CaO, б) ЭДС-картирование Br и Ca, в) ПЭМ-изображение синтезированных частиц, г) БПФ аморфной области и соответствующее ПЭМ-изображение, д) HR-TEM-изображение и е) SAED-картина кристаллической частицы.

Рисунок 3. а) Предел прочности ПЭ и ДППЭ, б) Термическая усадка, в) Ионная проводимость (вставка: тест на вымачивание), г) Расчетная энергия связи гексафторфосфат-аниона с кластером СаО, д) Число переноса, е) Спектры комбинационного рассеяния света, полученные из ПЭ и ДППЭ соответственно.

Рисунок 4. а) Характеристики циклической работы при плотности тока и поверхностной емкости 1 мА · см⁻², б) Скоростная способность литиевых симметричных элементов при поверхностной емкости 2 мА·ч · см⁻². СЭМ-изображения литиевых электродов из разобранных ячеек: в) поверхность и г) поперечные СЭМ-изображения металлического лития после 1-го и 15-го циклов с использованием PE или DCPE, д) сигналы 3D ToF-SIMS компонентов SEI, нанесенных на литиевые электроды после 15-го цикла с использованием PE и DCPE.

Рисунок 5. а) Начальные профили напряжения осаждения лития, б) Кулоновский КПД элементов Cu/Li, в) Способность к циклическому использованию батарей Li/NCM811 с ​​использованием PE и DCPE.

Рисунок 6. STA-MS анализ ДБДПЭ и ДКПЭ: а) кривая ТГ-ДТА ДБДПЭ и бб) масс-спектры, д) кривая ТГ-ДТА ДКПЭ и е) масс-спектры.

Рисунок 7. а) Схема огнезащитного механизма в конденсированной фазе CaBr₂, б) Схема газофазного механизма огнезащиты HBr, в) Схема литий-металлической батареи с использованием сепаратора из полиэтилена с покрытием из DCPE в нормальном состоянии и во время термического разгона. d) Результаты испытаний на огнестойкость для электролита без ДБДПЭ, с ДБДПЭ и с ДБДПЭ-CaO, и e) Результаты испытаний на огнестойкость для ПЭ, пропитанного электролитом, ПЭ, покрытого ДБДПЭ, и ДППЭ.

Заключение.
Существующие огнезащитные добавки для LMB демонстрируют явный компромисс между огнестойкостью и электрохимическими характеристиками. Однако в этом исследовании нанесение нанокомпозита ДБДПЭ-CaO на полиэтиленовый сепаратор посредством простого процесса нанесения покрытия улучшило как огнестойкость, так и электрохимические характеристики. Результаты показателей безопасности показывают, что HBr(g) и CaBr₂(s), образующиеся при использовании DCPE при высоких температурах, проявляют превосходные огнетушащие свойства. Намеренно синтезированный нанокомпозит DBDPE-CaO эффективно подавлял возгорания аккумуляторов, генерируя как конденсированные (CR), так и газообразные (FR) антипирены. Выделившийся из ДБДПЭ бром сразу же захватывается CaO, образуя CaBr₂, который впоследствии способствует образованию HBr. Таким образом, посредством DCPE достигается одновременное действие CR и FR. FR, разработанный с использованием этого метода, значительно повышает показатели безопасности даже в условиях практического злоупотребления аккумулятором. Результаты испытаний в термокамере показывают, что при термическом разгоне повышение температуры составило менее половины, а его начало было отсрочено на несколько минут по сравнению с обычными полиэтиленовыми сепараторами. Это дает системе управления батареями достаточное дополнительное время для обнаружения начала температурного разгона и принятия мер безопасности для предотвращения последующего повреждения. Кроме того, эту технологию можно комбинировать с различными компонентами аккумуляторов (такими как выбранные электроды, твердые электролиты и полимерные электролиты), используя простой и понятный метод. Эта стратегия может повысить производительность сепараторов в системах с высокой плотностью энергии, тем самым предлагая новый путь улучшения характеристик безопасности LMB.