بطارية الليثيوم التصميم الآمن: المواد النشطة، والكهربائيات والحجابات!

1 تكنولوجيا حماية الحجاب الحاجز
1.1 تعديل السطح على أساس غشاء البولي أوليفين الأصلي، يمكن لطلاء السطح أن يحسن مقاومة درجات الحرارة العالية والأداء الكهروكيميائي للحجاب الحاجز. تشتمل المواد المعدلة للطلاء بشكل أساسي على الجسيمات النانوية غير العضوية والبوليمرات العضوية.
تشتمل مواد الطلاء المعدلة غير العضوية على جزيئات غير عضوية Al2O3 وSiO2 وTiO2 وZrO2، مقارنة مع طلاء السيراميك Al2O3 وBoehmite (AlOOH) الذي يتميز بدرجة حرارة مقاومة أعلى للحرارة وكثافة أقل ومقاومة داخلية منخفضة ومزايا أخرى، كما أن إمكانات التطبيق المستقبلي للحجاب الحاجز المعدل AlOOH أكبر . تم تحضير نوعين من الأغشية المركبة، B1 وB2، باستخدام مسحوق البوهميت 0.741 ميكرومتر و1.172 ميكرومتر كمواد طلاء، وPVDF كمواد رابطة، وغشاء PP بسمك 9 ميكرومتر كركيزة، وتم اختبار خصائصها. الأداء الشامل للحجاب الحاجز المركب Boehmite /PP أفضل من الحجاب الحاجز PP. على سبيل المثال، ينكمش الحجاب الحاجز B0 (الحجاب الحاجز PP غير المعدل) بأكثر من 57% عند 140 درجة مئوية، في حين أن الحجاب الحاجز B1 أقل من 3% ويبقى سليمًا عند 180 درجة مئوية؛ كانت قوة الشد للحجاب الحاجز B1 أعلى بنسبة 18.8% من الحجاب الحاجز B0، وكانت قوة ثقب الحجاب الحاجز B2 أعلى بنسبة 54.4% من الحجاب الحاجز B0. في غضون 30 ثانية، يمكن للإلكتروليت أن يتسلل بالكامل إلى الحجاب الحاجز B2، بينما يمكن أن يتسلل الحجاب الحاجز B0 إلى أقل من نصف المنطقة.
Al2O3، Boehmite وغيرها من الطلاءات غير العضوية النانوية، على الرغم من أنها يمكن أن تزيد من مقاومة الحرارة للحجاب الحاجز، ولكن من السهل أيضًا سد مسام الحجاب الحاجز، مما يعيق انتقال Li+، ولهذا السبب، يستخدم الباحثون البوليمرات كمواد طلاء لتعديل غشاء البولي أوليفين. وتشمل هذه البوليمرات PVDF، وPVDC، وANF، وPAN، وPMMA، وPDA. يعد طلاء غشاء البولي أوليفين باستخدام PVDF والبوليمر المشترك طريقة لتعديل الغشاء الناضج في الوقت الحاضر.

1.2 أنظمة الحجاب الحاجز المختلفة تعتبر الأغشية المعتمدة على البوليميد (PI) بمثابة الجيل التالي من مواد أغشية بطارية الليثيوم أيون نظرًا لمقاومتها الجيدة للحرارة والثبات الكيميائي والخصائص الميكانيكية المثالية. يتميز الحجاب الحاجز PI المحضر بطريقة الغزل الكهربائي بمزايا التكلفة المنخفضة وإمكانية التحكم العالية والمسامية العالية، لكن الحجاب الحاجز المُجهز لديه قوة ميكانيكية ضعيفة وحجم مسام كبير وتوزيع حجم مسام واسع، مما قد يؤدي إلى تفاقم التفريغ الذاتي ورد فعل الحديث المتبادل بطارية. بالإضافة إلى ذلك، تواجه طريقة الغزل الكهربائي أيضًا مشاكل تتمثل في انخفاض الإنتاجية وضعف إمكانية التكاثر والتلوث البيئي، ولا تزال تواجه العديد من الاختناقات في التصنيع على نطاق صناعي. وفي هذا الصدد، YR دينغ وآخرون. تحضير غشاء PI airgel (PIA) بمسامية موحدة ومقاومة لدرجات الحرارة العالية وأداء كهروكيميائي جيد باستخدام طريقة sol-gel والتجفيف فوق الحرج، وتطبيقه في بطاريات الليثيوم أيون. المسامية (78.35%) ومعدل امتصاص المنحل بالكهرباء (321.66%) لحجاب PIA مرتفعان، وهو ما يساعد على تحسين الأداء الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم أيون. يمكن تدوير نصف بطارية LiFePO4-Li مع غشاء PIA بثبات أكثر من 1000 مرة بنسبة 1C عند 2.8~4.2V، ومعدل الاحتفاظ بالسعة أعلى من 80%. بفضل الثبات الحراري العالي لـ PIA، يمكن تدوير نصف بطارية LiFePO4-Li مع غشاء PIA بثبات عند 120 درجة مئوية. من أجل تحديد تأثير تحسين أداء السلامة لبطاريات الليثيوم أيون، القطب الموجب LiFePO4، PIA تم تجميع الفاصل والقطب السالب من الجرافيت في بطارية تعبئة مرنة، مقارنة بفاصل Celgard 2400، وتمت دراسة السلوك الحراري الجامح للبطارية بأكملها بواسطة تسريع المسعر (ARC). لقد وجد أنه يمكن زيادة درجة الحرارة الحرارية الجامحة للبطارية باستخدام غشاء PIA من 131 درجة مئوية إلى 170 درجة مئوية باستخدام بطارية الحجاب الحاجز Celgard 2400، ويبلغ معدل الزيادة حوالي 30%.
من بين العديد من أغشية النظام، هناك أغشية البولي إيثيلين تيريفثالات (PET)، السليلوز، أغشية الفلوروبوليمر، وما إلى ذلك. تتم مقارنة معلمات الأداء الرئيسية للعديد من الأغشية وأغشية البولي أوليفين (PP أو PE) في الجدول 1.

كما يتبين من الجدول 1، تم تحسين كل من الاستقرار الحراري ومعدل امتصاص السائل لهذه الأغشية بشكل كبير، مما يوفر المزيد من الخيارات لتطوير بطاريات ليثيوم أيون عالية الأمان.

1.3 الحجاب الحاجز الحراري المغلقالحجاب الحاجز الحراري المغلق هو غشاء يحتوي على فتحة مغلقة عند درجة حرارة معينة ويمنع القناة الأيونية. كان غشاء الختم الحراري الأولي يغطي سطح غشاء PP بكرات البارافين الدقيقة، ولكن نظرًا للحجم الكبير للكريات المجهرية والطلاء غير المستوي، تأثر أداء نسبة البطارية. بالإضافة إلى ذلك، تكون استجابة كريات البارافين الدقيقة بطيئة عندما ترتفع درجة الحرارة بسرعة، مما يسهل التسبب في تأخر استجابة درجة الحرارة ولا يمكن كبح السلوك الحراري الجامح للبطارية. لهذا السبب، WX جي وآخرون. اقترح غشاء مانع للحرارة تم تعديله باستخدام كريات مجهرية من البوليمر المشترك لخلات فينيل الإيثيلين. بفضل درجة حرارة الاستجابة الحرارية المناسبة (90 درجة مئوية)، وحجم الجسيمات الصغيرة (حوالي 1 ميكرومتر)، والثبات الكيميائي والكهروكيميائي العالي للكريات المجهرية من البوليمر المشترك لأسيتات فينيل الإيثيلين، يضمن الحجاب الحاجز المعدل بالغلاف المجهري عدم تأثر الأداء الكهروكيميائي فقط ، ولكن أيضًا وظيفة الإغلاق الحراري الموثوقة عند درجة الحرارة العالية. تم تجميع بطارية التغليف المرنة الليثيوم والكوبالتات والجرافيت بقدرة 20 أمبير مع غشاء PP وغشاء معدل على التوالي، وتم إجراء اختبار الدائرة القصيرة. تظهر النتائج أنه: في بداية ماس كهربائى، ينخفض ​​جهد البطارية باستخدام غشاء PP بشكل حاد، مما يولد تيار ماس كهربائى كبير ويطلق كمية كبيرة من حرارة الجول، بحيث تصل درجة الحرارة الداخلية للبطارية بسرعة إلى 131.2 درجة مئوية. ، حتى ينخفض ​​​​الجهد إلى 0V، تبدأ درجة الحرارة في الانخفاض. عندما يتم طلاء الغشاء بكرات مجهرية من البوليمر المشترك لخلات فينيل الإيثيلين، يرتفع جهد الدائرة المفتوحة فجأة بعد الانخفاض المفاجئ في بداية الدائرة القصيرة الخارجية، وتكون درجة حرارة السطح القصوى للخلية 57.2 درجة مئوية فقط. وذلك لأن حرارة الجول الناتجة عن قصر الدائرة الخارجية تتسبب في ذوبان وانهيار الكريات البوليمرية الدقيقة المطلية على سطح الحجاب الحاجز، وبعد تحويلها إلى طبقة عازلة بوليمر كثيفة على سطح الحجاب الحاجز PP، ينتقل Li+ بين يتم كسر الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة في البطارية، بحيث تكون البطارية في حالة مفتوحة. ويمكن ملاحظة أن غشاء الختم الحراري يمكن أن يمنع الارتفاع الشديد في درجة حرارة البطارية في حالة حدوث ماس كهربائى خارجي، ويحسن سلامة بطاريات الليثيوم أيون ذات السعة الكبيرة، ويظهر احتمالية تطبيق جيدة.

1.4 الحجاب الحاجز الماص للحرارة ZF Liu et al. أعدت مرحلة تغيير درجة الحرارة التي تنظم الحجاب الحاجز، والتي يمكن أن تمتص الحرارة المتولدة في البطارية في الموقع. تم دمج مادة تغيير الطور (PCM) مع وظيفة تخزين الحرارة في غشاء ألياف PAN لإعطاء الحجاب الحاجز وظيفة تنظيم درجة الحرارة. في ظل ظروف سوء الاستخدام، يتم تسخين PCM الداخلي وصهره، ويرافقه كمية كبيرة من تخزين الحرارة الكامنة، والتي يمكنها امتصاص الحرارة المتولدة داخل البطارية في الوقت المناسب لمنع الهروب الحراري. في ظل ظروف العمل العادية، نظرًا للمسامية العالية والتقارب الجيد للكهارل لغشاء ألياف PAN، تتميز البطارية المجمعة على أساس مادة الحجاب الحاجز بخصائص إمكانات الاستقطاب المنخفضة والنقل الأيوني السريع وما إلى ذلك، مما يُظهر الأداء الكهروكيميائي المثالي. يمكن استعادة بطارية ليثيوم أيون الليثيوم فوسفات الحديد - الجرافيت بقدرة 63 مللي أمبير على أساس هذا النوع من مادة الحجاب الحاجز إلى درجة حرارة الغرفة خلال 35 ثانية بعد تجربة الوخز بالإبر. هذا يدل على أن الحجاب الحاجز المنظم لدرجة حرارة تغير الطور لديه قدرة جيدة على تنظيم درجة حرارة البطارية بعد ماس كهربائى داخلي، ويوفر حماية داخلية من الحرارة الزائدة لبطاريات الليثيوم أيون ذات كثافة الطاقة العالية، ويوفر طريقة لتحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون . تم إجراء تجربة الوخز بالإبر على أساس 63 مللي أمبير في الساعة من فوسفات حديد الليثيوم - بطارية ليثيوم أيون الجرافيت، وسعة البطارية صغيرة نسبيًا، ولم يتم التحقق بعد من القدرة على تنظيم درجة الحرارة والاحتمال العملي للبطاريات ذات السعة الكبيرة.

2 المنحل بالكهرباء الآمنة
2.1 السائل الأيوني السائل الأيوني هو ملح منصهر ذو درجة انصهار أقل من 100 درجة مئوية، في الحالة المنصهرة، ويتكون فقط من الكاتيونات والأنيونات. العدد الكبير من الأيونات في السائل الأيوني يعطي موصلية عالية، ولكنه يتمتع أيضًا بثبات حراري جيد، واستقرار كيميائي، واستقرار الأكسدة والاختزال الكهروكيميائي، وعدم التطاير وحرارة تفاعل منخفضة مع مادة القطب النشط، والأهم من ذلك، أنه غير قابل للاحتراق تمامًا ، لذلك من المتوقع أن يصبح إلكتروليتًا عالي الأمان. سيؤدي الغياب التام لجزيئات المذيبات في المنحل بالكهرباء إلى سلسلة من المشكلات، مثل أن معظم السوائل الأيونية لا يمكن أن تتحلل لتكوين فيلم SEI مستقر، كما أن المواد القائمة على الكربون مثل توافق أنود الجرافيت ضعيفة، لذلك لا يمكن استخدامها إلا ارتفاع تكلفة Li4Ti5O12 أو الأنود غير الكربوني. يمكن أن يؤدي إدخال إضافات تشكيل الفيلم أو سلفونيميد فلوريد الليثيوم (LiFSI)، بالإضافة إلى استخدام إلكتروليت الملح عالي التركيز، إلى تحسين استقرار الواجهة، ولكن لا يمكن حل اللزوجة العالية للسائل الأيوني، وسوء التسلل ومعامل نشر Li + المنخفض الناتج عن ذلك. بسبب الأداء الضعيف لمواد الأقطاب الكهربائية.
يحتوي مذيب الكربونات على لزوجة منخفضة وثابت عازل عالي، ويمكن أن يحسن الخواص الفيزيائية والكيميائية للسائل الأيوني، ويمكن أن يتحلل ليشكل فيلم SEI مستقر. يعد خلط السائل الأيوني مع مذيب الكربونات لتحضير إلكتروليت غير قابل للاشتعال طريقة لتحقيق التوازن بين معدل أداء وسلامة البطارية. إن اللزوجة وقابلية البلل ومعامل انتشار Li+ للمحلول الكهربائي المخلوط لها تأثير تحسين محدود. ويحتوي الإلكتروليت على 20% من المركبات القابلة للاشتعال، والتي ستظل تسبب مخاطر معينة على سلامة بطاريات الليثيوم أيون. يمكن تحسين سلامة البطارية بشكل أكبر عن طريق خلط مذيبات السلفون عالية الوميض وغير القابلة للاحتراق مع السوائل الأيونية.

2.2 المذيبات المفلورة المذيبات المفلورة هي نوع من مذيبات المنحل بالكهرباء لبطارية أيون الليثيوم والتي تمت دراستها بشكل أكثر عمقًا في الوقت الحاضر، وتستخدم على نطاق واسع في إلكتروليت بطارية أيون الليثيوم عالية الأمان. تحتوي ذرة الفلور على نصف قطر ذري صغير، وسالبية كهربية قوية، واستقطاب منخفض، ويتميز مذيب الفلور بنقطة تجمد منخفضة، ونقطة وميض عالية، وتسلل جيد بين القطب الكهربائي وما إلى ذلك.

2.3 مذيب الفوسفات العضوي تتميز مركبات الفوسفات العضوي بنقطة غليان عالية ولزوجة منخفضة وثبات عزل كهربائي مرتفع. مقارنة بالسوائل الأيونية. تتميز هذه المركبات بخصائص التكلفة المنخفضة وسهولة التركيب. في هذه الأثناء. لديها بنية جزيئية مماثلة للكربونات. وهو مذيب من المتوقع أن يحقق إلكتروليتًا مثبطًا للهب/غير قابل للاحتراق. في الوقت الحاضر، تقريبًا جميع مذيبات إستر الفوسفات المذكورة في الأدبيات غير متوافقة مع أنود الجرافيت، أي أن الجرافيت لا يمكن أن يخضع بشكل ثابت وفعال لانحشار الليثيوم القابل للعكس في المنحل بالكهرباء الموجود مع إستر الفوسفات كمذيب. تتمثل المهمة الأساسية لتطوير إلكتروليت إستر الفوسفات في حل مشكلة التوافق بين مذيب إستر الفوسفات العضوي والجرافيت.
يتضمن تطوير مذيب الفوسفات العضوي الموجود بشكل أساسي إستر الفوسفات، وإستر الفوسفيت، ومذيب إستر الفوسفونات. كما ذكرنا سابقًا، فإن مذيب الفوسفات العضوي غير متوافق مع القطب السالب من الجرافيت والشحن والتفريغ، ولا يمكن أن يشكل طبقة SEI مستقرة على سطح القطب السالب، وفي الوقت نفسه، سيؤدي إلى التضمين المشترك، وتدمير بنية الطبقة من الجرافيت، لذلك في الأبحاث المبكرة حول إستر الفوسفات العضوي، تم استخدامه فقط كإضافة مثبطة للهب أو مذيب مشترك يضاف إلى المنحل بالكهرباء لتقليل قابلية الاشتعال للجرافيت. المنحل بالكهرباء. أظهرت النتائج أنه عندما يكون تركيز الفوسفات العضوي المضاف إلى المنحل بالكهرباء منخفضًا جدًا (<10%)، لا يوجد تأثير واضح لمثبطات اللهب؛ ومع ذلك، عندما يكون التركيز أعلى (> 20%)، فإنه سيمنع قدرة إدخال الليثيوم في القطب السالب للجرافيت.

2.4 مثبطات اللهب الفوسفورونيتريل مركبات الفوسفورونيتريل هي نوع من إضافات مثبطات اللهب المركبة. وهي تشتمل بشكل أساسي على مركبات نيتروجين الفوسفور الخطي البوليمري ومركبات نيتروجين الفوسفور الحلقية الجزيئية الصغيرة. الخصائص الرئيسية لمثبطات اللهب الفوسفونيتريل هي. يمكن لكمية صغيرة من الإضافة (جزء كتلة من 5٪ إلى 15٪) تحقيق تأثير مثبطات اللهب أو المنحل بالكهرباء غير القابل للاحتراق. والتوافق الجيد مع مواد القطب. التأثير على الأداء الكهروكيميائي لبطارية الليثيوم أيون صغير.
يعتبر سيكلوفوسفونيتريل (PFPN) من بريدجستون أحد مثبطات اللهب المبكرة مع نافذة أكسدة كهروكيميائية عالية وله العديد من حالات التطبيق في بطاريات أيونات الليثيوم عالية الجهد، مثل بطاريات أيونات الليثيوم التي تستخدم مواد كاثود أكسيد كوبالت الليثيوم عالية الجهد أو 5 فولت عالية الجهد. مواد نيكلمنجنات الليثيوم.

3 تكنولوجيا طلاء القطب الإيجابي
طلاء السطح يمكن أن يحسن الاستقرار الحراري لمواد القطب الموجب وهو تقنية حماية القطب الموجب الرئيسية في الوقت الحاضر. طلاء مواد أخرى ذات ثبات عالٍ على سطح مادة القطب الموجب يمكن أن يمنع الاتصال المباشر بين مادة القطب الموجب والكهارل، وذلك لمنع انتقال الطور لمادة القطب الموجب، وتحسين الاستقرار الحراري وتقليل اضطراب الكاتيون. على موقع شعرية. هذا النوع من طبقة الطلاء يجب أن يتمتع بثبات حراري جيد وقصور كيميائي جيد، ومواد الطلاء تشمل بشكل رئيسي الفوسفات، الفلورايد والأكسيد الصلب.
يتم طلاء الفوسفات مع رابطة تساهمية قوية PO4 على سطح مادة القطب الموجب، مما يمكن أن يحسن الاستقرار الحراري لمادة القطب الموجب. إذا تم استخدام القطب الموجب المطلي بـ AlPO4، فإنه يتمتع بثبات حراري أفضل ويظهر أداء أفضل في اختبار الشحن الزائد. م. يون وآخرون. أبلغت عن استراتيجية تركيب طلاء بدرجة حرارة الغرفة تتمثل في "طلاء + صب". تم تطبيق الزجاج المعدني بوريد الكوبالت (CoB) على مادة الكاثود ذات الطبقات الغنية بالنيكل NCM811، والتي حققت تغطية كاملة للسطح وترطيب حدود الحبوب للجزيئات الثانوية من مادة الكاثود، وحسنت أداء التكبير واستقرار الدورة، مع دورة 1C عند 2.8 ~ 4.3 فولت 500 مرة. تمت زيادة معدل الاحتفاظ بقدرة المادة من 79.2% قبل الطلاء إلى 95.0%. أظهرت النتائج أن الأداء المثالي يرجع إلى تثبيط تدهور البنية المجهرية والتفاعلات الجانبية مع الواجهة. م. جو وآخرون. استخدمت طريقة sol-gel لتحقيق طلاء موحد للبلورات النانوية Mn3 (PO4) 2 على سطح القطب الموجب لـ NCM622 عند درجة حرارة منخفضة. يقلل الطلاء Mn3(PO4)2 من الاتصال المباشر بين المنحل بالكهرباء وأنود الأكسدة غير المستقر، مما يقلل من درجة التفاعلات الجانبية الطاردة للحرارة.

4 استراتيجية تعديل القطب السلبي
الجرافيت نفسه مستقر نسبيًا، لكن الجرافيت المضمن بالليثيوم سيستمر في التفاعل مع المنحل بالكهرباء عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى تفاقم تراكم الحرارة الأولي للهروب الحراري، وتعزيز التفاعل الحراري المتسلسل الجامح. يمكن لفيلم SEI عزل الاتصال المباشر بين القطب السالب والكهارل وتحسين استقرار القطب السالب. ولذلك، فإن بناء فيلم SEI عالي الثبات الحراري هو طريقة رئيسية لعزل التفاعل الجانبي بين القطب السالب والكهارل وكبح الانفلات الحراري. يمكن تحسين بنية وخصائص فيلم SEI عن طريق إدخال إضافات تشكيل الفيلم في المنحل بالكهرباء. على سبيل المثال، يمكن اختزال وتحلل بيرفلوروكتانوات الأمونيوم (APC)، وكربونات فينيلدين (VC) وكربونات فينيلدين (VEC) بشكل تفضيلي في المنحل بالكهرباء، مما يشكل طبقة بوليمر موحدة وكثيفة على سطح القطب السالب للجرافيت، وتحسين الحرارة استقرار الفيلم SEI. بدءًا من تعديل سطح المادة، يمكن تحسين الاستقرار الحراري لمواد الأنود من خلال إنشاء فيلم SEI صناعي مثل طبقة ترسيب المعدن وأكسيد المعدن أو طبقة طلاء البوليمر أو الكربون. مع ارتفاع درجة الحرارة، فإن فيلم SEI الذي تم إنشاؤه بالطريقتين المذكورتين أعلاه سوف يتحلل دائمًا، وفي درجات حرارة أعلى، سيكون التفاعل الطارد للحرارة بين كاثود حبر الليثيوم الأحفوري والإلكتروليت أكثر كثافة.
بالإضافة إلى ذلك، عند الشحن بتيار عالٍ، فإن تفاعل تطور الليثيوم لأنود الجرافيت سوف يتسبب أيضًا في خطر الانفلات الحراري لبطارية الليثيوم أيون. تحدد نسبة تيار الشحن تدفق Li+ لكل وحدة مساحة من مادة الأنود. عندما تكون عملية نشر الطور الصلب لـ Li+ في القطب السالب بطيئة (على سبيل المثال عندما تكون درجة الحرارة منخفضة جدًا وحالة الشحن مرتفعة)، وتكون كثافة تيار الشحن مرتفعة جدًا، فإن سطح القطب السالب سوف يؤدي إلى تفاعل تطور الليثيوم ، وسوف تثقب شجيرات الليثيوم المترسبة الحجاب الحاجز، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخلي، مما سيؤدي إلى الاحتراق والانفجار وعواقب وخيمة أخرى. يمكن تسريع انتشار الطور الصلب لـ Li + بين طبقات الجرافيت عن طريق تقصير مسار انتشار Li + بين طبقات الجرافيت وزيادة التباعد بين طبقات الجرافيت.

5 الخاتمة والتوقعات

تكنولوجيا بطارية ليثيوم أيون ناضجة، ومناسبة للتطبيق على نطاق واسع والإنتاج الضخم، وهي الاتجاه الرئيسي لتطوير السيارات الكهربائية وتكنولوجيا تخزين الطاقة على نطاق واسع. في الوقت الحاضر، تستمر كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون في الزيادة، ومتطلبات سلامة البطارية أكبر، لذلك تعد السلامة مؤشرًا مهمًا لتطوير بطاريات الليثيوم أيون. استنادًا إلى مواد الحجاب الحاجز والكهارل والإلكترود، تلخص هذه الورقة بشكل منهجي الطرق الحالية لمنع الهروب الحراري وتحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون. بناءً على ملخص البحث الحالي حول تحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون، جنبًا إلى جنب مع الآلية الجديدة للانفلات الحراري، تم اقتراح عدة اتجاهات رئيسية لتطوير مواد السلامة لبطاريات الليثيوم أيون في المستقبل:

(1) يمكن أن يؤدي تعديل سطح غشاء البولي أوليفين باستخدام الجسيمات النانوية غير العضوية إلى تحسين الاستقرار الحراري للغشاء، لكن تأثير التحسين محدود. سيوفر الحجاب الحاجز ذو الثبات الحراري العالي والقوة الميكانيكية العالية المزيد من الخيارات لبطاريات الليثيوم أيون عالية الأمان. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تصميم أغشية الاستجابة الحرارية الذكية، مثل أغشية مانعة للحرارة يمكنها قطع نقل الأيونات عند درجات حرارة عالية، وأغشية مقاومة للحريق تطلق مثبطات اللهب، وأغشية ممتصة للحرارة متغيرة الطور. تبدأ استراتيجية تصميم غشاء الأمان المذكورة أعلاه من الهروب الحراري الناجم عن ذوبان الحجاب الحاجز، لكن الدائرة القصيرة الداخلية ليست العامل الوحيد الذي يؤدي إلى الهروب الحراري لبطاريات الليثيوم أيون. في درجات الحرارة المرتفعة، يعد تفاعل الأكسدة والاختزال المكثف بين أنواع الأكسجين التفاعلية الصادرة عن القطب الموجب والإلكتروليت والقطب السالب للحبر الأحفوري الليثيوم هو أيضًا السبب الرئيسي لإثارة الهروب الحراري. تعد كيفية منع تفاعل الحديث المتبادل لأنواع الأكسجين التفاعلية الصادرة عن القطب الموجب مع ضمان مقاومة الحجاب الحاجز لدرجات الحرارة العالية إجراءً مهمًا لتطوير الحجاب الحاجز الآمن في المستقبل.

(2) تكون نقطة وميض إلكتروليت بطارية الليثيوم أيون التجارية منخفضة بشكل عام، ومن السهل أن تحترق أو حتى تنفجر عند درجة حرارة عالية، ويعد تطوير إلكتروليت مثبطات اللهب / غير قابل للاحتراق لتقليل قابلية اشتعال الإلكتروليت أحد الأشياء من التدابير لتحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون. بناءً على هذه الطريقة، أجرى الناس أبحاثًا مكثفة حول مثبطات اللهب/الإلكتروليتات غير القابلة للاحتراق، بما في ذلك السائل الأيوني، والمذيبات المفلورة، ومذيبات الفوسفات العضوية، ومثبطات اللهب الفوسفازين، وإلكتروليتات الملح عالية التركيز. بناءً على خصائص توقيت الهروب الحراري، فإن احتراق الإلكتروليت هو مصدر الطاقة الرئيسي في المرحلة المتأخرة من الهروب الحراري، ويساهم التفاعل الجانبي الطارد للحرارة بين الحبر الأحفوري والإلكتروليت الليثيوم بعد انكسار فيلم SEI في المرحلة المبكرة في تراكم الحرارة في المرحلة المبكرة من الهروب الحراري. الإصلاح المباشر لفيلم SEI المكسور في الوقت الحقيقي من المنحل بالكهرباء. تمنع التفاعل بين حبر الليثيوم الأحفوري والكهارل. ستكون استراتيجية لقمع الهروب الحراري.

(3) سيؤدي الاتصال المباشر بين مادة الكاثود والكهارل عند درجة حرارة عالية إلى انتقال طور لا رجعة فيه على سطح مادة الكاثود. تقليل الاستقرار الحراري للمادة. يركز تصميم مادة الكاثود الآمن بشكل أساسي على عزل الاتصال المباشر بين مادة الكاثود النشط والإلكتروليت، بما في ذلك الطلاء السطحي لمادة الكاثود واستخدام مادة الكاثود الثلاثي أحادي البلورية بدون فجوة شبكية. بالإضافة إلى استراتيجيات تصميم مادة الكاثود الآمنة التي لخصها مؤلفو هذه الورقة، يمكن أيضًا تطوير طبقات احتجاز الأكسجين النشط لإخماد الأكسجين النشط الصادر عن التحلل الحراري لمواد الكاثود مثل الثلاثي وكوبالت الليثيوم ومنجنات الليثيوم، وذلك لتجنب الأكسجين التفاعلي مع تفاعل القطب السلبي بالكهرباء أو الحبر الأحفوري الليثيوم.

(4) يتمتع الجرافيت المحتوي على الليثيوم العاري بتفاعلية عالية مع الإلكتروليت. تتمثل استراتيجية التحسين التقليدية في إضافة مواد مضافة لتشكيل الفيلم أو إنشاء فيلم SEI صناعي في المنحل بالكهرباء. سيؤدي فشل فيلم SEI في درجات حرارة عالية في النهاية إلى تفاعل الجرافيت المضمن بالليثيوم مع المنحل بالكهرباء. لذلك، من الضروري تطوير تقنية يمكنها إصلاح فيلم SEI في الوقت الفعلي في الموقع لمنع التفاعل بين حبر الليثيوم الأحفوري والإلكتروليت.