বিমূর্ত
লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি (LIBs) সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ শক্তি সঞ্চয় প্রযুক্তিগুলির মধ্যে একটি হিসাবে বিবেচিত হয়।ব্যাটারির শক্তির ঘনত্ব বাড়ার সাথে সাথে, যদি অনিচ্ছাকৃতভাবে শক্তি নির্গত হয় তবে ব্যাটারির নিরাপত্তা আরও গুরুত্বপূর্ণ হয়ে ওঠে।LIB-এর অগ্নিকাণ্ড এবং বিস্ফোরণ সম্পর্কিত দুর্ঘটনা বিশ্বব্যাপী প্রায়শই ঘটে।কিছু মানুষের জীবন এবং স্বাস্থ্যের জন্য গুরুতর হুমকি সৃষ্টি করেছে এবং নির্মাতাদের দ্বারা অসংখ্য পণ্য প্রত্যাহার করা হয়েছে।এই ঘটনাগুলি অনুস্মারক যে ব্যাটারির জন্য নিরাপত্তা একটি পূর্বশর্ত, এবং উচ্চ-শক্তি ব্যাটারি সিস্টেমের ভবিষ্যত প্রয়োগের আগে গুরুতর সমস্যাগুলি সমাধান করা প্রয়োজন৷এই পর্যালোচনার লক্ষ্য হল LIB নিরাপত্তা সংক্রান্ত সমস্যাগুলির উত্সের মৌলিক বিষয়গুলিকে সংক্ষিপ্ত করা এবং LIB নিরাপত্তার উন্নতির জন্য সামগ্রীর নকশায় সাম্প্রতিক মূল অগ্রগতি তুলে ধরা।আমরা আশা করি যে এই পর্যালোচনাটি ব্যাটারি নিরাপত্তার ক্ষেত্রে আরও উন্নতিকে অনুপ্রাণিত করবে, বিশেষ করে উচ্চ-শক্তির ঘনত্ব সহ উদীয়মান LIBগুলির জন্য৷
LIB নিরাপত্তা ইস্যুগুলির উত্স
LIB-এর অভ্যন্তরে জৈব তরল ইলেক্ট্রোলাইট অভ্যন্তরীণভাবে দাহ্য।একটি LIB সিস্টেমের সবচেয়ে বিপর্যয়কর ব্যর্থতাগুলির মধ্যে একটি হল ক্যাসকেডিং থার্মাল রানঅওয়ে ইভেন্ট, যা ব্যাটারি নিরাপত্তা উদ্বেগের প্রধান কারণ হিসাবে বিবেচিত হয়৷সাধারণভাবে, থার্মাল পলাতক ঘটে যখন একটি এক্সোথার্মিক প্রতিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের বাইরে চলে যায়।ব্যাটারির তাপমাত্রা ~80 ডিগ্রি সেলসিয়াসের উপরে উঠলে, ব্যাটারির অভ্যন্তরে এক্সোথার্মিক রাসায়নিক বিক্রিয়ার হার বৃদ্ধি পায় এবং কোষকে আরও উত্তপ্ত করে, যার ফলে একটি ইতিবাচক প্রতিক্রিয়া চক্র তৈরি হয়।ক্রমাগত ক্রমবর্ধমান তাপমাত্রার ফলে আগুন এবং বিস্ফোরণ হতে পারে, বিশেষ করে বড় ব্যাটারি প্যাকের জন্য।অতএব, থার্মাল পালানোর কারণ এবং প্রক্রিয়াগুলি বোঝা LIB-এর সুরক্ষা এবং নির্ভরযোগ্যতা উন্নত করতে কার্যকরী উপকরণগুলির নকশাকে গাইড করতে পারে।তাপীয় পলাতক প্রক্রিয়াটিকে তিনটি পর্যায়ে বিভক্ত করা যেতে পারে, যেমনটি সংক্ষিপ্ত করা হয়েছেডুমুর। 1.
চিত্র 1 থার্মাল পলাতক প্রক্রিয়ার জন্য তিনটি পর্যায়।
পর্যায় 1: অতিরিক্ত গরমের সূত্রপাত।ব্যাটারি স্বাভাবিক থেকে অস্বাভাবিক অবস্থায় পরিবর্তিত হয় এবং অভ্যন্তরীণ তাপমাত্রা বাড়তে থাকে।পর্যায় 2: তাপ সঞ্চয় এবং গ্যাস মুক্তি প্রক্রিয়া।অভ্যন্তরীণ তাপমাত্রা দ্রুত বৃদ্ধি পায় এবং ব্যাটারি এক্সোথার্মাল প্রতিক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যায়।পর্যায় 3: দহন এবং বিস্ফোরণ।দাহ্য ইলেক্ট্রোলাইট জ্বলে, যার ফলে আগুন এমনকি বিস্ফোরণ ঘটতে পারে।
অতিরিক্ত গরমের সূচনা (পর্যায় 1)
ব্যাটারি সিস্টেমের অত্যধিক গরম থেকে তাপীয় পলাতক শুরু হয়।পরিকল্পিত ভোল্টেজের বাইরে ব্যাটারি চার্জ করা (ওভারচার্জিং), অতিরিক্ত তাপমাত্রার এক্সপোজার, ত্রুটিপূর্ণ তারের কারণে বাহ্যিক শর্ট সার্কিট বা কোষের ত্রুটির কারণে অভ্যন্তরীণ শর্ট সার্কিটের ফলে প্রাথমিক ওভারহিটিং ঘটতে পারে।তাদের মধ্যে, অভ্যন্তরীণ শর্টিং হল থার্মাল পালানোর প্রধান কারণ এবং নিয়ন্ত্রণ করা তুলনামূলকভাবে কঠিন।অভ্যন্তরীণ শর্টিং কোষ ক্রাশের পরিস্থিতিতে ঘটতে পারে যেমন বাহ্যিক ধাতু ধ্বংসাবশেষ অনুপ্রবেশ;গাড়ির সংঘর্ষ;উচ্চ বর্তমান ঘনত্ব চার্জিং অধীনে লিথিয়াম ডেনড্রাইট গঠন, অতিরিক্ত চার্জিং অবস্থার অধীনে বা নিম্ন তাপমাত্রায়;এবং ব্যাটারি সমাবেশের সময় ত্রুটিপূর্ণ বিভাজক তৈরি করা হয়েছে, কয়েকটি নাম।উদাহরণস্বরূপ, 2013 সালের অক্টোবরের শুরুতে, সিয়াটেলের কাছে একটি টেসলা গাড়ি ধাতব ধ্বংসাবশেষে আঘাত করেছিল যা ঢাল এবং ব্যাটারি প্যাকটি ছিদ্র করেছিল।ধ্বংসাবশেষ পলিমার বিভাজকগুলির মধ্যে প্রবেশ করে এবং সরাসরি ক্যাথোড এবং অ্যানোডকে সংযুক্ত করে, যার ফলে ব্যাটারিতে শর্ট-সার্কিট হয় এবং আগুন ধরে যায়;2016 সালে, স্যামসাং নোট 7 ব্যাটারিতে আগুন আক্রমনাত্মক আল্ট্রাথিন বিভাজকের কারণে হয়েছিল যা বাইরের চাপ বা পজিটিভ ইলেক্ট্রোডে ওয়েল্ডিং burrs দ্বারা সহজেই ক্ষতিগ্রস্থ হয়েছিল, যার ফলে ব্যাটারি শর্ট-সার্কিট হয়ে যায়।
স্টেজ 1 চলাকালীন, ব্যাটারি অপারেশন স্বাভাবিক থেকে অস্বাভাবিক অবস্থায় পরিবর্তিত হয়, এবং উপরে তালিকাভুক্ত সমস্ত সমস্যা ব্যাটারিকে অতিরিক্ত গরম করে দেবে।যখন অভ্যন্তরীণ তাপমাত্রা বাড়তে শুরু করে, পর্যায় 1 শেষ হয় এবং পর্যায় 2 শুরু হয়।
তাপ সঞ্চয় এবং গ্যাস নির্গত প্রক্রিয়া (পর্যায় 2)
পর্যায় 2 শুরু হওয়ার সাথে সাথে, অভ্যন্তরীণ তাপমাত্রা দ্রুত বৃদ্ধি পায় এবং ব্যাটারি নিম্নলিখিত প্রতিক্রিয়াগুলির মধ্য দিয়ে যায় (এই প্রতিক্রিয়াগুলি সঠিক প্রদত্ত ক্রমে ঘটে না; তাদের মধ্যে কিছু একই সাথে ঘটতে পারে):
(1) সলিড ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেস (SEI) অতিরিক্ত গরম বা শারীরিক অনুপ্রবেশের কারণে পচন।SEI স্তরে প্রধানত স্থিতিশীল (যেমন LiF এবং Li2CO3) এবং মেটাস্টেবল [যেমন পলিমার, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2, এবং ROLi] উপাদান থাকে।যাইহোক, মেটাস্টেবল উপাদানগুলি মোটামুটি>90°C তাপমাত্রায় এক্সোথার্মিকভাবে পচতে পারে, দাহ্য গ্যাস এবং অক্সিজেন নির্গত করে।উদাহরণ হিসেবে (CH2OCO2Li)2 নিন
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
(2) SEI এর পচনের সাথে সাথে, তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায় এবং অ্যানোডে থাকা লিথিয়াম ধাতু বা ইন্টারক্যালেটেড লিথিয়াম ইলেক্ট্রোলাইটের জৈব দ্রাবকের সাথে বিক্রিয়া করবে, দাহ্য হাইড্রোকার্বন গ্যাস (ইথেন, মিথেন এবং অন্যান্য) নির্গত করবে।এটি একটি এক্সোথার্মিক প্রতিক্রিয়া যা তাপমাত্রাকে আরও বাড়িয়ে দেয়।
(3) কখনT> ~130°C, পলিথিন (PE)/পলিপ্রোপিলিন (PP) বিভাজক গলতে শুরু করে, যা পরিস্থিতির আরও অবনতি করে এবং ক্যাথোড এবং অ্যানোডের মধ্যে একটি শর্ট সার্কিট ঘটায়।
(4) অবশেষে, তাপ লিথিয়াম ধাতু অক্সাইড ক্যাথোড উপাদানের পচন ঘটায় এবং অক্সিজেন নিঃসরণ করে।একটি উদাহরণ হিসাবে LiCoO2 নিন, যা নিম্নরূপ ~180°C থেকে শুরু করে পচে যেতে পারে
ক্যাথোডের ভাঙ্গনও অত্যন্ত এক্সোথার্মিক, তাপমাত্রা এবং চাপ আরও বৃদ্ধি করে এবং ফলস্বরূপ, প্রতিক্রিয়াগুলিকে আরও দ্রুত করে।
পর্যায় 2 চলাকালীন, তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায় এবং ব্যাটারির ভিতরে অক্সিজেন জমা হয়।ব্যাটারি দহনের জন্য পর্যাপ্ত অক্সিজেন এবং তাপ জমা হওয়ার সাথে সাথে তাপীয় পলাতক প্রক্রিয়াটি পর্যায় 2 থেকে পর্যায় 3 এ এগিয়ে যায়।
জ্বলন এবং বিস্ফোরণ (পর্যায় 3)
পর্যায় 3 এ, জ্বলন শুরু হয়।LIB-এর ইলেক্ট্রোলাইটগুলি জৈব, যা প্রায় সার্বজনীন চক্রীয় এবং রৈখিক অ্যালকাইল কার্বনেটের সংমিশ্রণ।তাদের উচ্চ উদ্বায়ীতা রয়েছে এবং অভ্যন্তরীণভাবে অত্যন্ত দাহ্য।একটি উদাহরণ হিসাবে জনপ্রিয়ভাবে ব্যবহৃত কার্বনেট ইলেক্ট্রোলাইট [ইথিলিন কার্বোনেট (ইসি) এর মিশ্রণ + ডাইমিথাইল কার্বনেট (ডিএমসি) (1:1 ওজন দ্বারা)] গ্রহণ করলে, এটি ঘরের তাপমাত্রায় 4.8 kPa বাষ্পের চাপ এবং অত্যন্ত কম ফ্ল্যাশ পয়েন্ট প্রদর্শন করে। 1.013 বারের বায়ুচাপে 25° ± 1°C।পর্যায় 2-এ নির্গত অক্সিজেন এবং তাপ দাহ্য জৈব ইলেক্ট্রোলাইটগুলির দহনের জন্য প্রয়োজনীয় শর্ত প্রদান করে, যার ফলে আগুন বা বিস্ফোরণের ঝুঁকি তৈরি হয়।
পর্যায় 2 এবং 3-এ, এক্সোথার্মিক প্রতিক্রিয়া কাছাকাছি-অ্যাডিয়াব্যাটিক অবস্থার অধীনে ঘটে।এইভাবে, অ্যাক্সিলারেটেড রেট ক্যালোরিমেট্রি (ARC) একটি বহুল ব্যবহৃত কৌশল যা LIB-এর অভ্যন্তরে পরিবেশকে অনুকরণ করে, যা তাপীয় পলাতক প্রতিক্রিয়া গতিবিদ্যা সম্পর্কে আমাদের বোঝার সুবিধা দেয়।চিত্র ২তাপীয় অপব্যবহারের পরীক্ষার সময় রেকর্ড করা একটি LIB-এর একটি সাধারণ ARC বক্ররেখা দেখায়।দ্বিতীয় পর্যায়ে তাপমাত্রা বৃদ্ধির অনুকরণ করে, তাপের একটি বাহ্যিক উৎস ব্যাটারির তাপমাত্রাকে শুরুর তাপমাত্রায় বাড়িয়ে দেয়।এই তাপমাত্রার উপরে, SEI পচে যায়, যা আরও এক্সোথার্মিক রাসায়নিক বিক্রিয়াকে ট্রিগার করবে।অবশেষে, বিভাজক গলে যাবে।সেল্ফ-হিটিং রেট পরবর্তীতে বাড়বে, যার ফলে তাপ পলাতক হয় (যখন স্ব-গরম করার হার >10°C/মিনিট হয়) এবং ইলেক্ট্রোলাইট দহন (পর্যায় 3)।
অ্যানোড হল মেসোকার্বন মাইক্রোবিড গ্রাফাইট।ক্যাথোড হল LiNi0.8Co0.05Al0.05O2।EC/PC/DMC-তে ইলেক্ট্রোলাইট হল 1.2 M LiPF6।একটি সেলগার্ড 2325 ট্রাইলেয়ার বিভাজক ব্যবহার করা হয়েছিল।ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল সোসাইটি ইনকর্পোরেটেড থেকে অনুমতি নিয়ে অভিযোজিত।
এটি লক্ষ করা উচিত যে উপরে চিত্রিত প্রতিক্রিয়াগুলি প্রদত্ত ক্রমে একের পর এক কঠোরভাবে ঘটবে না।এগুলি বরং জটিল এবং পদ্ধতিগত সমস্যা।
উন্নত ব্যাটারি নিরাপত্তা সহ উপকরণ
ব্যাটারি থার্মাল রনঅওয়ে বোঝার উপর ভিত্তি করে, ব্যাটারি উপাদানগুলির যৌক্তিক নকশার মাধ্যমে নিরাপত্তার ঝুঁকি হ্রাস করার লক্ষ্যে অনেকগুলি পন্থা অধ্যয়ন করা হচ্ছে৷পরবর্তী বিভাগে, আমরা ব্যাটারির নিরাপত্তার উন্নতির জন্য, বিভিন্ন থার্মাল রনঅওয়ে পর্যায়ের সাথে সম্পর্কিত সমস্যার সমাধান করার জন্য বিভিন্ন উপকরণ পদ্ধতির সংক্ষিপ্ত বিবরণ দিই।
পর্যায় 1 এ সমস্যাগুলি সমাধান করতে (অতি গরমের সূত্রপাত)
নির্ভরযোগ্য অ্যানোড উপকরণ।LIB এর অ্যানোডে লি ডেনড্রাইট গঠন তাপীয় পলাতকের প্রথম পর্যায়ের সূচনা করে।যদিও এই সমস্যাটি বাণিজ্যিক LIB-এর অ্যানোডগুলিতে উপশম করা হয়েছে (উদাহরণস্বরূপ, কার্বোনাসিয়াস অ্যানোড), লি ডেনড্রাইট গঠন সম্পূর্ণরূপে বাধা দেওয়া হয়নি।উদাহরণস্বরূপ, বাণিজ্যিক LIB-তে, অ্যানোড এবং ক্যাথোডগুলি ভালভাবে জোড়া না থাকলে গ্রাফাইট ইলেক্ট্রোড প্রান্তে ডেনড্রাইট জমা হয়।উপরন্তু, LIB-এর অনুপযুক্ত অপারেশন অবস্থার ফলে ডেনড্রাইট বৃদ্ধির সাথে Li ধাতু জমা হতে পারে।এটা সুপরিচিত যে ব্যাটারি চার্জ করা হলে ডেনড্রাইট সহজেই তৈরি হতে পারে (i) উচ্চ কারেন্ট ঘনত্বে যেখানে Li ধাতুর জমা বাল্ক গ্রাফাইটে Li আয়নগুলির প্রসারণের চেয়ে দ্রুত হয়;(ii) ওভারচার্জিং অবস্থার অধীনে যখন গ্রাফাইট ওভারলিথিয়েটেড হয়;এবং (iii) কম তাপমাত্রায় [উদাহরণস্বরূপ, সাব অ্যাম্বিয়েন্ট তাপমাত্রা (~0°C)], তরল ইলেক্ট্রোলাইটের বর্ধিত সান্দ্রতা এবং বর্ধিত লি-আয়ন বিচ্ছুরণ প্রতিরোধের কারণে।
উপাদান বৈশিষ্ট্যের দৃষ্টিকোণ থেকে, অ্যানোডে লি ডেনড্রাইটের বৃদ্ধির সূত্রপাত নির্ধারণকারী মূল উৎস হল অস্থির এবং অ-ইউনিফর্ম SEI, যা অসম স্থানীয় বর্তমান বন্টন ঘটায়।ইলেক্ট্রোলাইট উপাদান, বিশেষত সংযোজন, এসইআই অভিন্নতা উন্নত করতে এবং লি ডেনড্রাইট গঠন দূর করতে তদন্ত করা হয়েছে।সাধারণ সংযোজনগুলির মধ্যে রয়েছে অজৈব যৌগ [উদাহরণস্বরূপ, CO2, LiI, ইত্যাদি] এবং অসম্পৃক্ত কার্বন বন্ড যেমন ভিনাইল কার্বনেট এবং ম্যালিমাইড সংযোজনযুক্ত জৈব যৌগ;অস্থির চক্রীয় অণু যেমন বিউটাইরোলাকটোন, ইথিলিন সালফাইট এবং তাদের ডেরিভেটিভস;এবং ফ্লোরিনযুক্ত যৌগ যেমন ফ্লুরোইথিলিন কার্বনেট, অন্যদের মধ্যে।এমনকি পার্টস-প্রতি-মিলিয়ন স্তরেও, এই অণুগুলি এখনও SEI আকারবিদ্যাকে উন্নত করতে পারে, এইভাবে লি-আয়ন ফ্লাক্সকে একত্রিত করে এবং লি ডেনড্রাইট গঠনের সম্ভাবনাকে দূর করে।
সামগ্রিকভাবে, লি ডেনড্রাইট চ্যালেঞ্জগুলি এখনও গ্রাফাইট বা কার্বোনাসিয়াস অ্যানোড এবং পরবর্তী প্রজন্মের অ্যানোড ধারণকারী সিলিকন/সিওতে উপস্থিত রয়েছে।লি ডেনড্রাইট বৃদ্ধির সমস্যা সমাধান করা একটি চ্যালেঞ্জ যা অদূর ভবিষ্যতে উচ্চ-শক্তির ঘনত্ব লি-আয়ন রসায়নের অভিযোজনের জন্য গুরুত্বপূর্ণ।এটি উল্লেখ করা উচিত যে, সম্প্রতি, লি ডিপোজিশনের সময় লি-আয়ন ফ্লাক্সকে একত্রিত করে বিশুদ্ধ লি ধাতব অ্যানোডে লি ডেনড্রাইট গঠনের সমস্যা সমাধানের জন্য যথেষ্ট প্রচেষ্টা নিবেদিত হয়েছে;উদাহরণস্বরূপ, প্রতিরক্ষামূলক স্তর আবরণ, কৃত্রিম SEI ইঞ্জিনিয়ারিং, ইত্যাদি। এই দিকটিতে, কিছু পদ্ধতি সম্ভবত LIB-তে কার্বনাসিয়াস অ্যানোডের সমস্যাটি কীভাবে মোকাবেলা করা যায় তার উপর আলোকপাত করতে পারে।
বহুমুখী তরল ইলেক্ট্রোলাইট এবং বিভাজক.তরল ইলেক্ট্রোলাইট এবং বিভাজক উচ্চ-শক্তি ক্যাথোড এবং অ্যানোডকে শারীরিকভাবে আলাদা করার ক্ষেত্রে মূল ভূমিকা পালন করে।এইভাবে, ভালভাবে ডিজাইন করা মাল্টিফাংশনাল ইলেক্ট্রোলাইট এবং বিভাজকগুলি ব্যাটারি থার্মাল রানওয়ের প্রাথমিক পর্যায়ে (পর্যায় 1) ব্যাটারিগুলিকে উল্লেখযোগ্যভাবে রক্ষা করতে পারে।
ব্যাটারিগুলিকে যান্ত্রিক ক্রাশিং থেকে রক্ষা করার জন্য, কার্বনেট ইলেক্ট্রোলাইটে ফুমড সিলিকার সহজ সংযোজন দ্বারা একটি শিয়ার ঘন করার তরল ইলেক্ট্রোলাইট পাওয়া গেছে (EC/DMC-তে 1 M LiFP6)৷যান্ত্রিক চাপ বা প্রভাবের উপর, তরলটি সান্দ্রতা বৃদ্ধির সাথে একটি শিয়ার ঘন করার প্রভাব প্রদর্শন করে, তাই প্রভাব শক্তি নষ্ট করে এবং চূর্ণ করার সহনশীলতা প্রদর্শন করে (চিত্র 3A)
চিত্র 3 ধাপ 1 এ সমস্যা সমাধানের কৌশল।
(ক) শিয়ার পুরু ইলেক্ট্রোলাইট।শীর্ষ: সাধারণ ইলেক্ট্রোলাইটের জন্য, যান্ত্রিক প্রভাব ব্যাটারির অভ্যন্তরীণ শর্টিং হতে পারে, যার ফলে আগুন এবং বিস্ফোরণ ঘটতে পারে।নীচে: চাপ বা প্রভাবে শিয়ার ঘন করার প্রভাব সহ অভিনব স্মার্ট ইলেক্ট্রোলাইট পেষণ করার জন্য দুর্দান্ত সহনশীলতা প্রদর্শন করে, যা ব্যাটারির যান্ত্রিক সুরক্ষাকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে।(বি) লিথিয়াম ডেনড্রাইটের প্রাথমিক সনাক্তকরণের জন্য দ্বি-ফাংশনাল বিভাজক।একটি ঐতিহ্যবাহী লিথিয়াম ব্যাটারিতে ডেনড্রাইট গঠন, যেখানে লিথিয়াম ডেনড্রাইট দ্বারা বিভাজকের সম্পূর্ণ অনুপ্রবেশ তখনই সনাক্ত করা হয় যখন একটি অভ্যন্তরীণ শর্ট সার্কিটের কারণে ব্যাটারি ব্যর্থ হয়।তুলনামূলকভাবে, একটি দ্বি-ফাংশনাল বিভাজক সহ একটি লিথিয়াম ব্যাটারি (দুটি প্রচলিত বিভাজকের মধ্যে স্যান্ডউইচ করা একটি কন্ডাক্টিং লেয়ার সমন্বিত), যেখানে অত্যধিক বেড়ে ওঠা লিথিয়াম ডেনড্রাইট বিভাজক ভেদ করে এবং পরিবাহী তামার স্তরের সাথে যোগাযোগ করে, যার ফলে এটি হ্রাস পায়।VCu−Li, যা একটি অভ্যন্তরীণ শর্ট সার্কিটের কারণে আসন্ন ব্যর্থতার সতর্কতা হিসাবে কাজ করে।যাইহোক, সম্পূর্ণ ব্যাটারি অশূন্য সম্ভাবনার সাথে নিরাপদে কার্যকর থাকে।(A) এবং (B) স্প্রিংগার প্রকৃতির অনুমতি নিয়ে অভিযোজিত বা পুনরুত্পাদন করা হয়েছে।(C) বিপজ্জনক লি ডেনড্রাইট গ্রাস করতে এবং ব্যাটারির আয়ু বাড়াতে ট্রাইলেয়ার বিভাজক।বাম: লিথিয়াম অ্যানোডগুলি সহজেই ডেনড্রাইটিক জমা তৈরি করতে পারে, যা ধীরে ধীরে বড় হতে পারে এবং জড় পলিমার বিভাজক ভেদ করতে পারে।যখন ডেনড্রাইটগুলি অবশেষে ক্যাথোড এবং অ্যানোডকে সংযুক্ত করে, তখন ব্যাটারি শর্ট সার্কিট হয় এবং ব্যর্থ হয়।ডানদিকে: সিলিকা ন্যানো পার্টিকেলের একটি স্তর বাণিজ্যিক পলিমার বিভাজকের দুটি স্তর দ্বারা স্যান্ডউইচ করা হয়েছিল।অতএব, যখন লিথিয়াম ডেনড্রাইট বৃদ্ধি পায় এবং বিভাজক ভেদ করে, তখন তারা স্যান্ডউইচড স্তরের সিলিকা ন্যানো পার্টিকেলগুলির সাথে যোগাযোগ করবে এবং ইলেক্ট্রোকেমিকভাবে গ্রাস করবে।(D) সিলিকা ন্যানো পার্টিকেল স্যান্ডউইচড বিভাজকের ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপি (SEM) চিত্র স্ক্যান করা হচ্ছে।(E) প্রচলিত বিভাজক (লাল বক্ররেখা) সহ একটি Li/Li ব্যাটারির সাধারণ ভোল্টেজ বনাম সময় প্রোফাইল এবং একই অবস্থার অধীনে পরীক্ষা করা সিলিকা ন্যানো পার্টিকেল স্যান্ডউইচড ট্রাইলেয়ার বিভাজক (কালো বক্ররেখা)।(C), (D), এবং (E) জন উইলি অ্যান্ড সন্সের অনুমতি নিয়ে পুনরুত্পাদন করা হয়েছে।(F) রেডক্স শাটল অ্যাডিটিভগুলির প্রক্রিয়াগুলির পরিকল্পিত চিত্র।অতিরিক্ত চার্জযুক্ত ক্যাথোড পৃষ্ঠে, রেডক্স সংযোজনটি [O] ফর্মে অক্সিডাইজ করা হয়, যা পরবর্তীকালে ইলেক্ট্রোলাইটের মাধ্যমে প্রসারণের মাধ্যমে অ্যানোডের পৃষ্ঠে তার আসল অবস্থায় [R] হ্রাস করা হয়।অক্সিডেশন-ডিফিউশন-রিডাকশন-ডিফিউশনের ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল চক্র অনির্দিষ্টকালের জন্য বজায় রাখা যেতে পারে এবং তাই বিপজ্জনক ওভারচার্জিং থেকে ক্যাথোড সম্ভাব্যতা লক করে।(G) রেডক্স শাটল অ্যাডিটিভের সাধারণ রাসায়নিক কাঠামো।(এইচ) শাটডাউন ওভারচার্জ অ্যাডিটিভের প্রক্রিয়া যা উচ্চ সম্ভাবনায় ইলেক্ট্রোকেমিক্যালি পলিমারাইজ করতে পারে।(I) শাটডাউন ওভারচার্জ অ্যাডিটিভের সাধারণ রাসায়নিক কাঠামো।সংযোজনগুলির কার্যক্ষমতা প্রতিটি আণবিক কাঠামোর অধীনে (G), (H), এবং (I) তালিকাভুক্ত করা হয়েছে।
বিভাজক ইলেকট্রনিকভাবে ক্যাথোড এবং অ্যানোডকে অন্তরণ করতে পারে এবং একটি ব্যাটারির স্বাস্থ্যের অবস্থা পর্যবেক্ষণে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করতে পারে যাতে পূর্ববর্তী পর্যায়ের 1 এর আরও অবনতি রোধ করা যায়। উদাহরণস্বরূপ, পলিমার-মেটাল-পলিমার ট্রাইলেয়ার কনফিগারেশন সহ একটি "দ্বিক্রিয়াগত বিভাজক" (চিত্র 3B) একটি নতুন ভোল্টেজ-সেন্সিং ফাংশন প্রদান করতে পারে।যখন একটি ডেনড্রাইট বৃদ্ধি পায় এবং মধ্যবর্তী স্তরে পৌঁছায়, তখন এটি ধাতব স্তর এবং অ্যানোডকে এমনভাবে সংযুক্ত করবে যে তাদের মধ্যে হঠাৎ ভোল্টেজ ড্রপ আউটপুট হিসাবে অবিলম্বে সনাক্ত করা যেতে পারে।
সনাক্তকরণ ছাড়াও, একটি ট্রাইলেয়ার বিভাজক বিপজ্জনক লি ডেনড্রাইটগুলি গ্রাস করার জন্য এবং বিভাজক ভেদ করার পরে তাদের বৃদ্ধি ধীর করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছিল।সিলিকা ন্যানো পার্টিকেলের একটি স্তর, বাণিজ্যিক পলিওলিফিন বিভাজকের দুটি স্তর দ্বারা স্যান্ডউইচ করা (চিত্র 3, C এবং D), যে কোনো অনুপ্রবেশকারী বিপজ্জনক Li dendrites গ্রাস করতে পারে, এইভাবে কার্যকরীভাবে ব্যাটারির নিরাপত্তা উন্নত করে।সুরক্ষিত ব্যাটারির আয়ু প্রচলিত বিভাজক (চিত্র 3E).
ওভারচার্জিং সুরক্ষা।ওভারচার্জিং এর পরিকল্পিত ভোল্টেজের বাইরে একটি ব্যাটারি চার্জ করা হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা হয়।ওভারচার্জিং উচ্চ নির্দিষ্ট বর্তমান ঘনত্ব, আক্রমনাত্মক চার্জিং প্রোফাইল, ইত্যাদি দ্বারা ট্রিগার হতে পারে, যা একাধিক সমস্যা নিয়ে আসতে পারে, যার মধ্যে রয়েছে (i) অ্যানোডে Li ধাতু জমা হওয়া, যা ব্যাটারির ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল কর্মক্ষমতা এবং নিরাপত্তাকে মারাত্মকভাবে প্রভাবিত করে;(ii) ক্যাথোড উপাদানের পচন, অক্সিজেন মুক্ত করে;এবং (iii) জৈব ইলেক্ট্রোলাইটের পচন, তাপ এবং বায়বীয় দ্রব্য (H2, হাইড্রোকার্বন, CO, ইত্যাদি) নির্গত করে, যা তাপীয় পলায়নের জন্য দায়ী।পচনের সময় তড়িৎ রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলো জটিল, যার মধ্যে কয়েকটি নিচে তালিকাভুক্ত করা হলো।
তারকাচিহ্ন (*) নির্দেশ করে যে হাইড্রোজেন গ্যাস প্রোটিক থেকে উৎপন্ন হয়, যা ক্যাথোডে কার্বনেটের অক্সিডেশনের সময় উত্পন্ন গোষ্ঠীগুলিকে ছেড়ে দেয়, যা পরে অ্যানোডে ছড়িয়ে পড়ে এবং H2 তৈরি করে।
তাদের ফাংশনের পার্থক্যের ভিত্তিতে, অতিরিক্ত চার্জ সুরক্ষা সংযোজনগুলিকে রেডক্স শাটল অ্যাডিটিভ এবং শাটডাউন অ্যাডিটিভ হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে।পূর্ববর্তীটি কোষকে উল্টোভাবে অতিরিক্ত চার্জ থেকে রক্ষা করে, যখন পরেরটি কোষের কার্যকারিতা স্থায়ীভাবে বন্ধ করে দেয়।
রেডক্স শাটল অ্যাডিটিভগুলি ইলেক্ট্রোকেমিকভাবে ব্যাটারিতে ইনজেক্ট করা অতিরিক্ত চার্জকে বন্ধ করে দিয়ে কাজ করে যখন অতিরিক্ত চার্জ ঘটে।যেমন দেখানো হয়েছেচিত্র 3F, প্রক্রিয়াটি একটি রেডক্স অ্যাডিটিভের উপর ভিত্তি করে যার একটি জারণ সম্ভাবনা ইলেক্ট্রোলাইট অ্যানোডিক পচনের চেয়ে সামান্য কম।অতিরিক্ত চার্জযুক্ত ক্যাথোড পৃষ্ঠে, রেডক্স সংযোজনটি [O] ফর্মে অক্সিডাইজ করা হয়, যা পরবর্তীকালে ইলেক্ট্রোলাইটের মাধ্যমে বিচ্ছুরণের পরে অ্যানোডের পৃষ্ঠে তার আসল অবস্থায় [R] ফিরে আসে।পরবর্তীতে, হ্রাসকৃত সংযোজন ক্যাথোডে ফিরে যেতে পারে এবং "অক্সিডেশন-ডিফিউশন-রিডাকশন-ডিফিউশন" এর ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল চক্র অনির্দিষ্টকালের জন্য বজায় রাখা যেতে পারে এবং তাই ক্যাথোড সম্ভাব্যকে আরও বিপজ্জনক ওভারচার্জিং থেকে লক করে।গবেষণায় দেখা গেছে যে অ্যাডিটিভের রেডক্স সম্ভাবনা ক্যাথোডের সম্ভাবনার থেকে প্রায় 0.3 থেকে 0.4 V হওয়া উচিত।
অর্গানোমেটালিক মেটালোসিনস, ফেনোথিয়াজাইনস, ট্রাইফেনিলামাইনস, ডাইমেথোক্সিবেনজেনস এবং তাদের ডেরিভেটিভস এবং 2-(পেন্টাফ্লুরোফেনাইল)-টেট্রাফ্লুরো-1,3,2-বেনজোডিঅক্সা-এর অন্তর্ভুক্ত।চিত্র 3G)আণবিক কাঠামোকে সাজিয়ে, সংযোজন অক্সিডেশন সম্ভাবনাগুলিকে 4 V-এর উপরে সুরক্ষিত করা যেতে পারে, যা দ্রুত বিকাশমান উচ্চ-ভোল্টেজ ক্যাথোড উপাদান এবং ইলেক্ট্রোলাইটের জন্য উপযুক্ত।মৌলিক নকশা নীতির মধ্যে রয়েছে ইলেক্ট্রন-প্রত্যাহার বিকল্প যোগ করার মাধ্যমে যোজকের সর্বোচ্চ দখলকৃত আণবিক অরবিটাল কমানো, যা অক্সিডেশন সম্ভাবনা বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করে।জৈব সংযোজন ছাড়াও, কিছু অজৈব লবণ, যা শুধুমাত্র ইলেক্ট্রোলাইট লবণ হিসাবে কাজ করতে পারে না কিন্তু এটি একটি রেডক্স শাটল হিসাবেও কাজ করতে পারে, যেমন পারফ্লুরোবোরান ক্লাস্টার সল্ট [অর্থাৎ, লিথিয়াম ফ্লুরোডোডেকাবোরেটস (Li2B12F)xH12−x)], এছাড়াও দক্ষ রেডক্স শাটল সংযোজন পাওয়া গেছে।
শাটডাউন ওভারচার্জ অ্যাডিটিভগুলি অপরিবর্তনীয় ওভারচার্জ সুরক্ষা সংযোজনগুলির একটি শ্রেণি।তারা হয় উচ্চ সম্ভাবনায় গ্যাস মুক্ত করে কাজ করে, যার ফলে, একটি কারেন্ট ইন্টারপ্টার ডিভাইস সক্রিয় করে, অথবা বিপর্যয়কর ফলাফল হওয়ার আগে ব্যাটারি অপারেশন বন্ধ করার জন্য উচ্চ সম্ভাবনায় স্থায়ীভাবে ইলেক্ট্রোকেমিকভাবে পলিমারাইজ করে (চিত্র 3H)পূর্বের উদাহরণগুলির মধ্যে রয়েছে জাইলিন, সাইক্লোহেক্সিলবেনজিন এবং বাইফেনাইল, যখন পরবর্তী উদাহরণগুলির মধ্যে রয়েছে বাইফেনাইল এবং অন্যান্য প্রতিস্থাপিত সুগন্ধযুক্ত যৌগ (চিত্র 3I)শাটডাউন অ্যাডিটিভের নেতিবাচক প্রভাবগুলি এখনও এই যৌগগুলির অপরিবর্তনীয় অক্সিডেশনের কারণে LIB-গুলির দীর্ঘমেয়াদী অপারেশন এবং স্টোরেজ কর্মক্ষমতা।
পর্যায় 2 এর সমস্যাগুলি সমাধান করতে (তাপ সঞ্চয় এবং গ্যাস নির্গত প্রক্রিয়া)
নির্ভরযোগ্য ক্যাথোড উপকরণ।লিথিয়াম ট্রানজিশন মেটাল অক্সাইড, যেমন স্তরযুক্ত অক্সাইড LiCoO2, LiNiO2, এবং LiMnO2;স্পিনেল-টাইপ অক্সাইড LiM2O4;এবং পলিয়ানিয়ন টাইপ LiFePO4, জনপ্রিয়ভাবে ব্যবহৃত ক্যাথোড উপকরণ, যা, তবে, বিশেষ করে উচ্চ তাপমাত্রায় নিরাপত্তার সমস্যা রয়েছে।তাদের মধ্যে, অলিভাইন-গঠিত LiFePO4 তুলনামূলকভাবে নিরাপদ, যা 400°C পর্যন্ত স্থিতিশীল, যখন LiCoO2 250°C এ পচতে শুরু করে।LiFePO4-এর উন্নত নিরাপত্তার কারণ হল যে সমস্ত অক্সিজেন আয়ন P5+ এর সাথে শক্তিশালী সমযোজী বন্ধন তৈরি করে PO43− টেট্রাহেড্রাল পলিয়ানিয়ন তৈরি করে, যা সমগ্র ত্রিমাত্রিক কাঠামোকে স্থিতিশীল করে এবং অন্যান্য ক্যাথোড পদার্থের তুলনায় উন্নত স্থিতিশীলতা প্রদান করে, যদিও এখনও রয়েছে কিছু ব্যাটারিতে আগুন লেগে দুর্ঘটনার খবর পাওয়া গেছে।উচ্চ তাপমাত্রায় এই ক্যাথোড উপাদানগুলির পচন এবং একই সাথে অক্সিজেন নিঃসরণ থেকে প্রধান নিরাপত্তা উদ্বেগ উদ্ভূত হয়, যা একসাথে জ্বলন এবং বিস্ফোরণ ঘটাতে পারে, যা ব্যাটারির নিরাপত্তাকে মারাত্মকভাবে আপস করে।উদাহরণস্বরূপ, স্তরযুক্ত অক্সাইড LiNiO2 এর স্ফটিক গঠন অস্থির কারণ Ni2+ এর অস্তিত্বের কারণে আয়নিক আকার Li+ এর অনুরূপ।অপসারিত লিxNiO2 (x< 1) আরও স্থিতিশীল স্পিনেল-টাইপ ফেজ LiNi2O4 (স্পিনেল) এবং রকসল্ট-টাইপ NiO-তে রূপান্তরিত হয়, যেখানে অক্সিজেন তরল ইলেক্ট্রোলাইটে প্রায় 200°C এ নির্গত হয়, যা ইলেক্ট্রোলাইট দহনের দিকে পরিচালিত করে।
পরমাণু ডোপিং এবং পৃষ্ঠ প্রতিরক্ষামূলক আবরণ দ্বারা এই ক্যাথোড উপকরণগুলির তাপীয় স্থিতিশীলতা উন্নত করার জন্য যথেষ্ট প্রচেষ্টা করা হয়েছে।
পরমাণু ডোপিং ফলস্বরূপ স্থিতিশীল স্ফটিক কাঠামোর কারণে স্তরযুক্ত অক্সাইড উপকরণগুলির তাপীয় স্থিতিশীলতা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করতে পারে।LiNiO2 বা Li1.05Mn1.95O4 এর তাপীয় স্থিতিশীলতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করা যেতে পারে Ni বা Mn-এর আংশিক প্রতিস্থাপনের মাধ্যমে অন্যান্য ধাতব ক্যাটেশন, যেমন Co, Mn, Mg, এবং Al।LiCoO2 এর জন্য, নি এবং এমএন এর মতো ডোপিং এবং অ্যালোয়িং উপাদানগুলির প্রবর্তন পচন শুরুর তাপমাত্রাকে মারাত্মকভাবে বৃদ্ধি করতে পারেTdec, উচ্চ তাপমাত্রায় ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে প্রতিক্রিয়া এড়ানোর সময়।যাইহোক, সাধারণভাবে ক্যাথোড তাপীয় স্থিতিশীলতার বৃদ্ধি নির্দিষ্ট ক্ষমতার ত্যাগের সাথে আসে।এই সমস্যা সমাধানের জন্য, স্তরযুক্ত লিথিয়াম নিকেল কোবাল্ট ম্যাঙ্গানিজ অক্সাইডের উপর ভিত্তি করে রিচার্জেবল লিথিয়াম ব্যাটারির জন্য একটি ঘনত্ব-গ্রেডিয়েন্ট ক্যাথোড উপাদান তৈরি করা হয়েছে (চিত্র 4A)এই উপাদানটিতে, প্রতিটি কণার একটি Ni-সমৃদ্ধ কেন্দ্রীয় বাল্ক এবং একটি Mn-সমৃদ্ধ বাইরের স্তর রয়েছে, যার সাথে Ni ঘনত্ব হ্রাস পায় এবং পৃষ্ঠের কাছে আসার সাথে সাথে Mn এবং Co ঘনত্ব বৃদ্ধি পায় (চিত্র 4B)আগেরটি উচ্চ ক্ষমতা প্রদান করে, যেখানে পরেরটি তাপীয় স্থিতিশীলতা উন্নত করে।এই অভিনব ক্যাথোড উপাদানটি তাদের ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সের সাথে আপস না করে ব্যাটারির নিরাপত্তা উন্নত করতে দেখানো হয়েছিলচিত্র 4C).
চিত্র 4 পর্যায় 2 এ সমস্যা সমাধানের কৌশল: নির্ভরযোগ্য ক্যাথোড।
(A) একটি ঘনত্ব-গ্রেডিয়েন্ট বাইরের স্তর দ্বারা বেষ্টিত একটি Ni-সমৃদ্ধ কোর সহ একটি ধনাত্মক ইলেক্ট্রোড কণার পরিকল্পিত চিত্র।প্রতিটি কণার একটি Ni-সমৃদ্ধ কেন্দ্রীয় বাল্ক Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 এবং একটি Mn-সমৃদ্ধ বাইরের স্তর [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2] রয়েছে যাতে Ni ঘনত্ব কমে যায় এবং Mn এবং Co ঘনত্ব বৃদ্ধি পায়। পৃষ্ঠ কাছাকাছি হয় হিসাবে.আগেরটি উচ্চ ক্ষমতা প্রদান করে, যেখানে পরেরটি তাপীয় স্থিতিশীলতা উন্নত করে।গড় রচনা হল Li(Ni0.68Co0.18Mn0.18)O2।একটি সাধারণ কণার একটি স্ক্যানিং ইলেক্ট্রন মাইক্রোগ্রাফও ডানদিকে দেখানো হয়েছে।(B) চূড়ান্ত লিথিয়েটেড অক্সাইড Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2 এর ইলেকট্রন-প্রোব এক্স-রে মাইক্রোঅ্যানালাইসিসের ফলাফল।ইন্টারলেয়ারে Ni, Mn এবং Co-এর ধীরে ধীরে ঘনত্বের পরিবর্তন স্পষ্ট।Ni ঘনত্ব হ্রাস পায়, এবং Co এবং Mn ঘনত্ব পৃষ্ঠের দিকে বৃদ্ধি পায়।(C) ডিফারেনশিয়াল স্ক্যানিং ক্যালোরিমিট্রি (DSC) ট্রেসগুলি ইলেক্ট্রোলাইটের প্রতিক্রিয়া থেকে ঘনত্ব-গ্রেডিয়েন্ট উপাদান Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2, নি-সমৃদ্ধ কেন্দ্রীয় উপাদান Li(Ni0.8Co0.1Mn0) এর সাথে তাপ প্রবাহ দেখায়। 1)O2, এবং Mn-সমৃদ্ধ বাইরের স্তর [Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2]।উপকরণগুলিকে 4.3 ভি চার্জ করা হয়েছিল। (A), (B), এবং (C) স্প্রিংগার নেচারের অনুমতি নিয়ে পুনরুত্পাদন করা হয়েছে।(D) বাম: ট্রান্সমিশন ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপি (TEM) AlPO4 ন্যানো পার্টিকেল-কোটেড LiCoO2 এর উজ্জ্বল-ক্ষেত্র চিত্র;শক্তি বিচ্ছুরণকারী এক্স-রে স্পেকট্রোমেট্রি আবরণ স্তরে Al এবং P উপাদানগুলি নিশ্চিত করে৷ডানদিকে: উচ্চ-রেজোলিউশন TEM চিত্রটি ন্যানোস্কেল আবরণ স্তরে AlPO4 ন্যানো পার্টিকেল (~3 nm ব্যাস) দেখাচ্ছে;তীরগুলি AlPO4 স্তর এবং LiCoO2 এর মধ্যে ইন্টারফেস নির্দেশ করে।(E) বাম: 12-V ওভারচার্জ পরীক্ষার পরে একটি খালি LiCoO2 ক্যাথোড ধারণকারী একটি কোষের ছবি।সেই ভোল্টেজে সেলটি পুড়ে যায় এবং বিস্ফোরিত হয়।ডানদিকে: 12-V ওভারচার্জ পরীক্ষার পরে AlPO4 ন্যানো পার্টিকেল-কোটেড LiCoO2 ধারণকারী একটি কোষের ছবি।(D) এবং (E) জন উইলি অ্যান্ড সন্সের অনুমতি নিয়ে পুনরুত্পাদন করা হয়েছে।
তাপীয় স্থিতিশীলতা উন্নত করার আরেকটি কৌশল হল তাপীয়ভাবে স্থিতিশীল Li+ পরিবাহী যৌগগুলির একটি প্রতিরক্ষামূলক পাতলা স্তর দিয়ে ক্যাথোড উপাদানকে আবরণ করা, যা ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে ক্যাথোড পদার্থের সরাসরি যোগাযোগ প্রতিরোধ করতে পারে এবং এইভাবে পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া এবং তাপ উত্পাদন হ্রাস করতে পারে।আবরণগুলি হয় অজৈব ফিল্ম হতে পারে [উদাহরণস্বরূপ, ZnO, Al2O3, AlPO4, AlF3, ইত্যাদি], যা লিথিয়েটেড হওয়ার পরে Li আয়ন পরিচালনা করতে পারে (চিত্র 4, ডি এবং ই), বা জৈব ফিল্ম, যেমন পলি(ডায়ালিলডিমেথাইলামোনিয়াম ক্লোরাইড), γ-বুটিরোল্যাকটোন সংযোজন দ্বারা গঠিত প্রতিরক্ষামূলক ছায়াছবি, এবং মাল্টিকম্পোনেন্ট অ্যাডিটিভস (ভিনাইলিন কার্বনেট, 1,3-প্রোপাইলিন সালফাইট এবং ডাইমেথাইল্যাসেটামাইড সমন্বিত)।
একটি ইতিবাচক তাপমাত্রা সহগ সহ একটি আবরণ প্রবর্তন ক্যাথোড নিরাপত্তা বৃদ্ধির জন্য কার্যকরী।উদাহরণ স্বরূপ, পলি(3-ডিসিলথিওফিন)-কোটেড LiCoO2 ক্যাথোডগুলি একবার তাপমাত্রা >80°C পর্যন্ত বেড়ে গেলে তড়িৎ রাসায়নিক বিক্রিয়া এবং পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া বন্ধ করে দিতে পারে, কারণ পরিবাহী পলিমার স্তর দ্রুত একটি উচ্চ প্রতিরোধী অবস্থায় রূপান্তরিত হতে পারে।হাইপার-শাখাযুক্ত আর্কিটেকচার সহ স্ব-সমাপ্ত অলিগোমারের আবরণগুলি ক্যাথোডের দিক থেকে ব্যাটারি বন্ধ করার জন্য তাপীয়ভাবে প্রতিক্রিয়াশীল ব্লকিং স্তর হিসাবেও কাজ করতে পারে।
তাপগতভাবে পরিবর্তনযোগ্য বর্তমান সংগ্রাহক।দ্বিতীয় পর্যায়ে ব্যাটারির তাপমাত্রা বৃদ্ধির সময় বৈদ্যুতিক রাসায়নিক বিক্রিয়া বন্ধ করলে তা দক্ষতার সাথে তাপমাত্রাকে আরও বাড়তে বাধা দিতে পারে।একটি দ্রুত এবং বিপরীত থার্মোরস্পন্সিভ পলিমার সুইচিং (TRPS) বর্তমান সংগ্রাহকের অভ্যন্তরীণভাবে অন্তর্ভুক্ত করা হয়েছে (চিত্র 5A)TRPS পাতলা ফিল্মে পরিবাহী গ্রাফিন-কোটেড স্পাইকি ন্যানোস্ট্রাকচার্ড নিকেল (GrNi) কণা থাকে পরিবাহী ফিলার এবং একটি PE ম্যাট্রিক্স যার একটি বড় তাপ সম্প্রসারণ সহগ (α ~ 10−4 K−1) থাকে।বানোয়াট পলিমার কম্পোজিট ফিল্মগুলি ঘরের তাপমাত্রায় উচ্চ পরিবাহিতা (σ) দেখায়, কিন্তু যখন তাপমাত্রা পরিবর্তনের তাপমাত্রার কাছাকাছি আসে (Ts), পলিমার ভলিউম প্রসারণের ফলে পরিবাহিতা 1 সেকেন্ডের মধ্যে সাত থেকে আটটি ক্রম মাত্রায় হ্রাস পায়, যা পরিবাহী কণাগুলিকে পৃথক করে এবং পরিবাহী পথগুলিকে ভেঙে দেয় (চিত্র 5বি)ফিল্মটি তাত্ক্ষণিকভাবে অন্তরক হয়ে যায় এবং এইভাবে ব্যাটারি অপারেশন বন্ধ করে দেয় (চিত্র 5C)এই প্রক্রিয়াটি অত্যন্ত বিপরীতমুখী এবং পারফরম্যান্সের সাথে আপস না করে একাধিক অতিরিক্ত গরম হওয়ার পরেও কাজ করতে পারে।
চিত্র 5 পর্যায় 2 এ সমস্যা সমাধানের কৌশল।
(A) TRPS বর্তমান সংগ্রাহকের তাপ স্যুইচিং প্রক্রিয়ার পরিকল্পিত চিত্র।নিরাপদ ব্যাটারিতে এক বা দুটি বর্তমান সংগ্রাহক একটি পাতলা TRPS স্তর দিয়ে লেপা আছে।এটি সাধারণত ঘরের তাপমাত্রায় কাজ করে।যাইহোক, উচ্চ তাপমাত্রা বা বৃহৎ প্রবাহের ক্ষেত্রে, পলিমার ম্যাট্রিক্স প্রসারিত হয়, এইভাবে পরিবাহী কণাগুলিকে পৃথক করে, যা এর পরিবাহিতা হ্রাস করতে পারে, এর প্রতিরোধ ক্ষমতাকে ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি করে এবং ব্যাটারি বন্ধ করে দেয়।ব্যাটারি গঠন এইভাবে ক্ষতি ছাড়া সুরক্ষিত করা যেতে পারে.ঠান্ডা হলে, পলিমার সঙ্কুচিত হয় এবং মূল পরিবাহী পথ ফিরে পায়।(B) তাপমাত্রার একটি ফাংশন হিসাবে বিভিন্ন TRPS ফিল্মের প্রতিরোধ ক্ষমতা পরিবর্তন, যার মধ্যে বিভিন্ন GrNi লোডিং সহ PE/GrNi এবং GrNi এর 30% (v/v) লোডিং সহ PP/GrNi সহ।(C) 25°C এবং শাটডাউনের মধ্যে নিরাপদ LiCoO2 ব্যাটারি সাইকেল চালানোর ক্ষমতার সারাংশ।70 ডিগ্রি সেলসিয়াসের কাছাকাছি-শূন্য ক্ষমতা সম্পূর্ণ বন্ধ নির্দেশ করে।(A), (B), এবং (C) স্প্রিংগার প্রকৃতির অনুমতি নিয়ে পুনরুত্পাদন করা হয়েছে।(D) LIB-এর জন্য মাইক্রোস্ফিয়ার-ভিত্তিক শাটডাউন ধারণার পরিকল্পিত উপস্থাপনা।ইলেক্ট্রোডগুলি থার্মোস্পন্সিভ মাইক্রোস্ফিয়ারের সাহায্যে কার্যকরী করা হয় যেগুলি, একটি গুরুত্বপূর্ণ অভ্যন্তরীণ ব্যাটারি তাপমাত্রার উপরে, একটি তাপীয় পরিবর্তন (গলে) হয়।গলিত ক্যাপসুলগুলি ইলেক্ট্রোড পৃষ্ঠকে আবরণ করে, একটি আয়নিকভাবে অন্তরক বাধা তৈরি করে এবং ব্যাটারি সেল বন্ধ করে।(ই) 94% অ্যালুমিনা কণা এবং 6% স্টাইরিন-বুটাডিয়ান রাবার (এসবিআর) বাইন্ডার দ্বারা গঠিত একটি পাতলা এবং স্ব-স্থায়ী অজৈব যৌগিক ঝিল্লি একটি সমাধান ঢালাই পদ্ধতি দ্বারা প্রস্তুত করা হয়েছিল।ডানদিকে: অজৈব যৌগিক বিভাজক এবং PE বিভাজকের তাপীয় স্থিতিশীলতা দেখানো ফটোগ্রাফ।বিভাজক 40 মিনিটের জন্য 130 ডিগ্রি সেলসিয়াসে অনুষ্ঠিত হয়েছিল।PE উল্লেখযোগ্যভাবে বিন্দুযুক্ত বর্গক্ষেত্র থেকে সঙ্কুচিত হয়েছে।যাইহোক, যৌগিক বিভাজক সুস্পষ্ট সংকোচন দেখায়নি।এলসেভিয়ারের অনুমতি নিয়ে পুনরুত্পাদন করা হয়েছে।(F) নিম্ন উচ্চ-তাপমাত্রার সংকোচন সহ বিভাজক পদার্থ হিসাবে কিছু উচ্চ-গলিত তাপমাত্রার পলিমারের আণবিক গঠন।শীর্ষ: পলিমাইড (PI)।মধ্য: সেলুলোজ।নীচে: পলি(বুটিলিন) টেরেফথালেট।(G) বাম: PE এবং PP বিভাজকের সাথে PI-এর DSC স্পেকট্রার তুলনা;PI বিভাজক 30° থেকে 275°C তাপমাত্রা পরিসরে চমৎকার তাপীয় স্থিতিশীলতা দেখায়।ডানদিকে: একটি বাণিজ্যিক বিভাজক এবং একটি প্রোপিলিন কার্বনেট ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে সংশ্লেষিত PI বিভাজকের ভেজাতার তুলনা করে ডিজিটাল ক্যামেরার ছবি।আমেরিকান কেমিক্যাল সোসাইটি থেকে অনুমতি নিয়ে পুনরুত্পাদিত।
থার্মাল শাটডাউন বিভাজক.পর্যায় 2 চলাকালীন তাপীয় পলাতক থেকে ব্যাটারিগুলিকে প্রতিরোধ করার আরেকটি কৌশল হল বিভাজকের মাধ্যমে লি আয়নের পরিবাহী পথ বন্ধ করা।বিভাজক হল LIB-এর নিরাপত্তার জন্য মূল উপাদান, কারণ তারা আয়নিক পরিবহনের অনুমতি দেওয়ার সময় উচ্চ-শক্তি ক্যাথোড এবং অ্যানোড সামগ্রীর মধ্যে সরাসরি বৈদ্যুতিক যোগাযোগকে বাধা দেয়।PP এবং PE হল সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত উপকরণ, কিন্তু তাদের তাপীয় স্থিতিশীলতা দুর্বল, যথাক্রমে ~165° এবং ~135°C এর গলনাঙ্ক সহ।বাণিজ্যিক LIB-এর জন্য, PP/PE/PP ট্রাইলেয়ার কাঠামো সহ বিভাজক ইতিমধ্যেই বাণিজ্যিকীকরণ করা হয়েছে, যেখানে PE হল একটি প্রতিরক্ষামূলক মধ্যম স্তর।যখন ব্যাটারির অভ্যন্তরীণ তাপমাত্রা একটি গুরুত্বপূর্ণ তাপমাত্রার (~130°C) উপরে বৃদ্ধি পায়, তখন ছিদ্রযুক্ত PE স্তরটি আংশিকভাবে গলে যায়, ফিল্ম ছিদ্রগুলি বন্ধ করে এবং তরল ইলেক্ট্রোলাইটে আয়নগুলির স্থানান্তর রোধ করে, যখন PP স্তর অভ্যন্তরীণ এড়াতে যান্ত্রিক সহায়তা প্রদান করে। সংক্ষিপ্তকরণপর্যায়ক্রমে, ব্যাটারি অ্যানোড বা বিভাজকগুলির প্রতিরক্ষামূলক স্তর হিসাবে থার্মোস্পন্সিভ PE বা প্যারাফিন মোমের মাইক্রোস্ফিয়ার ব্যবহার করেও LIB-এর তাপীয়ভাবে প্ররোচিত শাটডাউন অর্জন করা যেতে পারে।যখন অভ্যন্তরীণ ব্যাটারির তাপমাত্রা একটি গুরুত্বপূর্ণ মান ছুঁয়ে যায়, তখন মাইক্রোস্ফিয়ারগুলি গলিয়ে দেয় এবং অ্যানোড/বিভাজককে একটি অভেদ্য বাধা দিয়ে আবরণ করে, লি-আয়ন পরিবহন বন্ধ করে এবং স্থায়ীভাবে কোষটি বন্ধ করে দেয় (চিত্র 5D).
উচ্চ তাপ স্থিতিশীলতা সঙ্গে বিভাজক.ব্যাটারি বিভাজকগুলির তাপীয় স্থিতিশীলতা উন্নত করার জন্য, গত কয়েক বছরে দুটি পদ্ধতির বিকাশ করা হয়েছে:
(1) সিরামিক-বর্ধিত বিভাজক, বিদ্যমান পলিওলিফিন বিভাজক পৃষ্ঠগুলিতে সরাসরি আবরণ বা সিরামিক স্তরগুলির উপর-পৃষ্ঠের বৃদ্ধি যেমন SiO2 এবং Al2O3 দ্বারা বা পলিমেরিক উপকরণগুলিতে সিরামিক পাউডার এমবেড করে তৈরি করা হয় (চিত্র 5E) , খুব উচ্চ গলনাঙ্ক এবং উচ্চ যান্ত্রিক শক্তি দেখায় এবং তুলনামূলকভাবে উচ্চ তাপ পরিবাহিতাও রয়েছে।এই কৌশলের মাধ্যমে তৈরি কিছু যৌগিক বিভাজককে বাণিজ্যিকীকরণ করা হয়েছে, যেমন সেপারিয়ন (একটি বাণিজ্য নাম)।
(2) বিভাজক পদার্থগুলিকে পলিওলিফিন থেকে উচ্চ-গলিত তাপমাত্রার পলিমারে পরিবর্তন করা যা গরম করার পরে কম সংকোচন সহ পলিমাইড, সেলুলোজ, পলি(বিউটিলিন) টেরেফথালেট এবং অন্যান্য সাদৃশ্যযুক্ত পলি(এস্টার) তাপীয় স্থিতিশীলতা উন্নত করার জন্য আরেকটি কার্যকর কৌশল। বিভাজক (চিত্র 5F)উদাহরণ স্বরূপ, পলিমাইড একটি থার্মোসেটিং পলিমার যা এর চমৎকার তাপীয় স্থিতিশীলতা (400°C এর উপরে স্থিতিশীল), ভালো রাসায়নিক প্রতিরোধ ক্ষমতা, উচ্চ প্রসার্য শক্তি, ভালো ইলেক্ট্রোলাইট ভেজাতা এবং শিখা প্রতিবন্ধকতার কারণে ব্যাপকভাবে একটি প্রতিশ্রুতিশীল বিকল্প হিসাবে বিবেচিত হয়।চিত্র 5G)
কুলিং ফাংশন সহ ব্যাটারি প্যাকেজ।বায়ু বা তরল শীতল সঞ্চালন দ্বারা সক্ষম ডিভাইস-স্কেল তাপ ব্যবস্থাপনা সিস্টেমগুলি ব্যাটারির কর্মক্ষমতা উন্নত করতে এবং তাপমাত্রা বৃদ্ধির গতি কমাতে ব্যবহার করা হয়েছে।উপরন্তু, প্যারাফিন মোমের মতো ফেজ-পরিবর্তন সামগ্রীগুলিকে ব্যাটারি প্যাকে একত্রিত করা হয়েছে যাতে তাদের তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ করার জন্য তাপ সিঙ্ক হিসাবে কাজ করা হয়, তাই তাপমাত্রার অপব্যবহার এড়ানো যায়।
পর্যায় 3 (দহন এবং বিস্ফোরণ) এর সমস্যাগুলি সমাধান করতে
তাপ, অক্সিজেন এবং জ্বালানী, যা "অগ্নি ত্রিভুজ" নামে পরিচিত, বেশিরভাগ আগুনের জন্য প্রয়োজনীয় উপাদান।পর্যায় 1 এবং 2 এর সময় উত্পন্ন তাপ এবং অক্সিজেন জমা হওয়ার সাথে, জ্বালানী (অর্থাৎ, অত্যন্ত দাহ্য ইলেক্ট্রোলাইট) স্বয়ংক্রিয়ভাবে জ্বলতে শুরু করবে।ইলেক্ট্রোলাইট দ্রাবকগুলির দাহ্যতা হ্রাস করা ব্যাটারি সুরক্ষা এবং LIB-এর আরও বড় আকারের অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য অত্যাবশ্যক৷
শিখা-retardant additives.তরল ইলেক্ট্রোলাইটের দাহ্যতা কমাতে শিখা-প্রতিরোধী সংযোজনগুলির বিকাশের জন্য প্রচুর গবেষণা প্রচেষ্টা নিবেদিত হয়েছে।তরল ইলেক্ট্রোলাইটে ব্যবহৃত বেশিরভাগ শিখা-প্রতিরোধী সংযোজন জৈব ফসফরাস যৌগ বা জৈব হ্যালোজেনেটেড যৌগের উপর ভিত্তি করে।যেহেতু হ্যালোজেনগুলি পরিবেশ এবং মানব স্বাস্থ্যের জন্য বিপজ্জনক, জৈব ফসফরাস যৌগগুলি শিখা-প্রতিরোধী সংযোজন হিসাবে আরও প্রতিশ্রুতিশীল প্রার্থী কারণ তাদের উচ্চ শিখা-প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং পরিবেশগত বন্ধুত্বের কারণে।সাধারণ জৈব ফসফরাস যৌগগুলির মধ্যে রয়েছে ট্রাইমিথাইল ফসফেট, ট্রাইফেনাইল ফসফেট, বিআইএস(2-মেথোক্সিইথক্সি) মিথাইল্যালিলফসফোনেট, ট্রিস(2,2,2-ট্রাইফ্লুরোইথাইল) ফসফাইট, (ইথক্সি) পেন্টাফ্লুরোসাইক্লোট্রিফোসিফেট, ইত্যাদি।চিত্র 6A)এই ফসফরাস-ধারণকারী যৌগগুলির শিখা প্রতিবন্ধকতার প্রভাবের প্রক্রিয়াটিকে সাধারণত একটি রাসায়নিক র্যাডিক্যাল-স্ক্যাভেঞ্জিং প্রক্রিয়া বলে মনে করা হয়।দহনের সময়, ফসফরাস-ধারণকারী অণুগুলি ফসফরাস-যুক্ত ফ্রি-র্যাডিক্যাল প্রজাতিতে পচে যেতে পারে, যা তারপরে চেইন প্রতিক্রিয়া প্রচারের সময় উত্পন্ন র্যাডিকেলগুলি (উদাহরণস্বরূপ, এইচ এবং ওএইচ র্যাডিকাল) শেষ করতে পারে যা ক্রমাগত জ্বলনের জন্য দায়ী (চিত্র 6, বি এবং সি) .দুর্ভাগ্যবশত, এই ফসফরাস-ধারণকারী শিখা retardants যোগ করার সাথে দাহ্যতা হ্রাস ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল কর্মক্ষমতা ব্যয়ে আসে।এই ট্রেড-অফের উন্নতির জন্য, অন্যান্য গবেষকরা তাদের আণবিক গঠনে কিছু পরিবর্তন করেছেন: (i) অ্যালকাইল ফসফেটের আংশিক ফ্লুরিনেশন তাদের হ্রাসকারী স্থিতিশীলতা এবং তাদের শিখা প্রতিবন্ধকতার কার্যকারিতা উন্নত করতে পারে;(ii) প্রতিরক্ষামূলক ফিল্ম-গঠন এবং শিখা-প্রতিরোধী বৈশিষ্ট্যযুক্ত যৌগগুলির ব্যবহার, যেমন bis(2-methoxyethoxy) methylallylphosphonate, যেখানে অ্যালিলিক গ্রুপগুলি পলিমারাইজ করতে পারে এবং গ্রাফাইট পৃষ্ঠের উপর একটি স্থিতিশীল SEI ফিল্ম তৈরি করতে পারে, এইভাবে কার্যকরভাবে বিপজ্জনক দিক প্রতিরোধ করে প্রতিক্রিয়া;(iii) P(V) ফসফেট থেকে P(III) ফসফাইটে পরিবর্তন, যা SEI গঠনকে সহজ করে এবং বিপজ্জনক PF5 নিষ্ক্রিয় করতে সক্ষম [উদাহরণস্বরূপ, tris(2,2,2-ট্রাইফ্লুরোইথাইল) ফসফাইট];এবং (iv) অর্গানোফসফরাস সংযোজনগুলিকে চক্রীয় ফসফেজিন দিয়ে প্রতিস্থাপন করা, বিশেষ করে ফ্লোরিনযুক্ত সাইক্লোফসফেজিন, যা ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল সামঞ্জস্যকে উন্নত করেছে।
চিত্র 6 পর্যায় 3 এ সমস্যা সমাধানের কৌশল।
(ক) শিখা-প্রতিরোধী সংযোজনগুলির সাধারণ আণবিক কাঠামো।(B) এই ফসফরাস-ধারণকারী যৌগগুলির শিখা প্রতিবন্ধকতার প্রভাবের প্রক্রিয়াটিকে সাধারণত একটি রাসায়নিক র্যাডিকেল-স্কেভেঞ্জিং প্রক্রিয়া বলে মনে করা হয়, যা গ্যাস পর্যায়ে জ্বলন প্রতিক্রিয়ার জন্য দায়ী র্যাডিকাল চেইন বিক্রিয়াগুলিকে শেষ করতে পারে।টিপিপি, ট্রাইফেনাইল ফসফেট।(C) সাধারণ কার্বনেট ইলেক্ট্রোলাইটের স্ব-নির্বাপণের সময় (SET) ট্রাইফেনাইল ফসফেট যোগ করার সাথে উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করা যেতে পারে।(D) LIB-এর জন্য থার্মাল-ট্রিগারকৃত শিখা-প্রতিরোধী বৈশিষ্ট্য সহ "স্মার্ট" ইলেক্ট্রোস্পন বিভাজকের পরিকল্পিত।ফ্রি-স্ট্যান্ডিং বিভাজকটি একটি কোর-শেল কাঠামো সহ মাইক্রোফাইবার দ্বারা গঠিত, যেখানে শিখা প্রতিরোধকটি মূল এবং পলিমারটি শেল।থার্মাল ট্রিগারিংয়ের পরে, পলিমার শেল গলে যায় এবং তারপরে এনক্যাপসুলেটেড ফ্লেম রিটার্ড্যান্ট ইলেক্ট্রোলাইটে মুক্তি পায়, এইভাবে ইলেক্ট্রোলাইটগুলির ইগনিশন এবং জ্বলনকে কার্যকরভাবে দমন করে।(E) এচিংয়ের পরে TPP@PVDF-HFP মাইক্রোফাইবারগুলির SEM চিত্রটি তাদের মূল-শেলের গঠন স্পষ্টভাবে দেখায়।স্কেল বার, 5 μm।(F) LIB-এর জন্য অদাহ্য ইলেক্ট্রোলাইট হিসাবে ব্যবহৃত ঘরের তাপমাত্রা আয়নিক তরলের সাধারণ আণবিক কাঠামো।(G) PFPE এর আণবিক গঠন, একটি অদাহ্য পারফ্লুরিনেড PEO এনালগ।বর্তমান ব্যাটারি সিস্টেমের সাথে অণুগুলির সামঞ্জস্য নিশ্চিত করতে পলিমার চেইনের টার্মিনালগুলিতে দুটি মিথাইল কার্বনেট গ্রুপ পরিবর্তন করা হয়েছে।
এটি উল্লেখ করা উচিত যে তালিকাভুক্ত সংযোজনগুলির জন্য ইলেক্ট্রোলাইটের হ্রাসকৃত জ্বলনযোগ্যতা এবং কোষের কর্মক্ষমতার মধ্যে সর্বদা একটি বাণিজ্য বন্ধ থাকে, যদিও উপরের আণবিক ডিজাইনগুলির মাধ্যমে এই সমঝোতা উন্নত করা হয়েছে।এই সমস্যা সমাধানের আরেকটি প্রস্তাবিত কৌশল হল মাইক্রোফাইবারগুলির প্রতিরক্ষামূলক পলিমার শেলের ভিতরে শিখা প্রতিরোধককে অন্তর্ভুক্ত করা, যা একটি ননবোভেন বিভাজক গঠনের জন্য আরও স্ট্যাক করা হয় (চিত্র 6D)LIB-এর জন্য থার্মাল-ট্রিগারকৃত শিখা-প্রতিরোধী বৈশিষ্ট্য সহ একটি অভিনব ইলেক্ট্রোস্পুন নন-উভেন মাইক্রোফাইবার বিভাজক তৈরি করা হয়েছিল।প্রতিরক্ষামূলক পলিমার শেলের অভ্যন্তরে শিখা retardant এর এনক্যাপসুলেশন ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে শিখা retardant এর সরাসরি এক্সপোজার রোধ করে, ব্যাটারির ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সের উপর retardants থেকে নেতিবাচক প্রভাব রোধ করে (চিত্র 6ই)যাইহোক, যদি LIB ব্যাটারির থার্মাল রানঅ্যাওয়ে ঘটে, পলি(vinylidenefluoride-hexafluoro propylene) copolymer (PVDF-HFP) শেল তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে গলে যাবে।তারপর এনক্যাপসুলেটেড ট্রাইফেনাইল ফসফেট শিখা retardant ইলেক্ট্রোলাইটে মুক্তি পাবে, এইভাবে অত্যন্ত দাহ্য ইলেক্ট্রোলাইটগুলির দহনকে কার্যকরভাবে দমন করবে।
এই দ্বিধা নিরসনের জন্য একটি "লবণ-ঘনিষ্ঠ ইলেক্ট্রোলাইট" ধারণাও তৈরি করা হয়েছিল।রিচার্জেবল ব্যাটারির জন্য এই অগ্নি নির্বাপক জৈব ইলেক্ট্রোলাইটগুলিতে লবণ হিসাবে LiN(SO2F)2 থাকে এবং একমাত্র দ্রাবক হিসাবে ট্রাইমিথাইল ফসফেট (TMP) এর জনপ্রিয় শিখা প্রতিরোধক থাকে।অ্যানোডে একটি শক্তিশালী লবণ থেকে প্রাপ্ত অজৈব SEI এর স্বতঃস্ফূর্ত গঠন স্থিতিশীল ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।এই অভিনব কৌশলটি অন্যান্য বিভিন্ন শিখা প্রতিরোধকদের কাছে প্রসারিত করা যেতে পারে এবং নিরাপদ LIB-এর জন্য নতুন শিখা-প্রতিরোধী দ্রাবক তৈরির জন্য একটি নতুন পথ খুলতে পারে।
অদাহ্য তরল ইলেক্ট্রোলাইট।ইলেক্ট্রোলাইটের নিরাপত্তা সংক্রান্ত সমস্যার একটি চূড়ান্ত সমাধান হবে অভ্যন্তরীণভাবে অদাহ্য ইলেক্ট্রোলাইট তৈরি করা।অদাহ্য ইলেক্ট্রোলাইটগুলির একটি গ্রুপ যা ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে তা হল আয়নিক তরল, বিশেষ করে ঘরের তাপমাত্রা আয়নিক তরল, যেগুলি অ-উদ্বায়ী (200 ডিগ্রি সেলসিয়াসের নীচে কোন শনাক্তযোগ্য বাষ্পের চাপ নেই) এবং অদাহ্য এবং একটি বিস্তৃত তাপমাত্রার জানালা রয়েছে (চিত্র 6F)যাইহোক, তাদের উচ্চ সান্দ্রতা, কম লি ট্রান্সফারেন্স নম্বর, ক্যাথোডিক বা হ্রাসকারী অস্থিরতা এবং আয়নিক তরলগুলির উচ্চ মূল্যের কারণে সৃষ্ট নিম্ন হারের ক্ষমতার সমস্যাগুলি সমাধান করার জন্য অবিচ্ছিন্ন গবেষণা এখনও প্রয়োজন।
নিম্ন-আণবিক ওজন হাইড্রোফ্লুরোইথার হল অদাহ্য তরল ইলেক্ট্রোলাইটের আরেকটি শ্রেণী কারণ তাদের উচ্চ বা কোন ফ্ল্যাশ পয়েন্ট নেই, অদাহ্যতা, নিম্ন পৃষ্ঠের টান, কম সান্দ্রতা, কম হিমাঙ্ক তাপমাত্রা ইত্যাদি।ব্যাটারি ইলেক্ট্রোলাইটের মানদণ্ড পূরণের জন্য তাদের রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে মানিয়ে নেওয়ার জন্য সঠিক আণবিক নকশা তৈরি করা উচিত।সম্প্রতি রিপোর্ট করা একটি আকর্ষণীয় উদাহরণ হল পারফ্লুরোপোলিথার (পিএফপিই), একটি পারফ্লুরিনেটেড পলিথিন অক্সাইড (পিইও) অ্যানালগ যা এর অদাহ্যতার জন্য সুপরিচিত (চিত্র 6G)বর্তমান ব্যাটারি সিস্টেমের সাথে অণুর সামঞ্জস্য নিশ্চিত করার জন্য দুটি মিথাইল কার্বনেট গ্রুপ PFPE চেইনের (PFPE-DMC) টার্মিনাল গ্রুপে পরিবর্তন করা হয়েছে।এইভাবে, অনন্য আণবিক কাঠামোর নকশার কারণে ইলেক্ট্রোলাইট স্থানান্তর সংখ্যা বৃদ্ধি করার সময় PFPE-গুলির অদাহ্যতা এবং তাপীয় স্থিতিশীলতা LIB-গুলির নিরাপত্তাকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে।
পর্যায় 3 হল চূড়ান্ত কিন্তু বিশেষ করে তাপীয় পলাতক প্রক্রিয়ার জন্য গুরুত্বপূর্ণ পর্যায়।এটি উল্লেখ করা উচিত যে যদিও অত্যাধুনিক তরল ইলেক্ট্রোলাইটের দাহ্যতা হ্রাস করার জন্য দুর্দান্ত প্রচেষ্টা নিবেদিত হয়েছে, তবে অ-উদ্বায়ী সলিড-স্টেট ইলেক্ট্রোলাইটগুলির ব্যবহার দুর্দান্ত প্রতিশ্রুতি দেখায়।সলিড ইলেক্ট্রোলাইটগুলি প্রধানত দুটি বিভাগে পড়ে: অজৈব সিরামিক ইলেক্ট্রোলাইট [সালফাইডস, অক্সাইড, নাইট্রাইডস, ফসফেটস, ইত্যাদি] এবং কঠিন পলিমার ইলেক্ট্রোলাইট [পলিমারের সাথে লি লবণের মিশ্রণ, যেমন পলি(ইথিলিন অক্সাইড), পলিঅ্যাক্রাইলোনিট্রিল ইত্যাদি।কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট উন্নত করার প্রচেষ্টা এখানে বিশদভাবে বলা হবে না, কারণ এই বিষয়টি ইতিমধ্যেই বেশ কয়েকটি সাম্প্রতিক পর্যালোচনাতে ভালভাবে সংক্ষিপ্ত করা হয়েছে।
আউটলুক
অতীতে, ব্যাটারি নিরাপত্তা উন্নত করার জন্য অনেক অভিনব উপকরণ তৈরি করা হয়েছে, যদিও সমস্যাটি এখনও পুরোপুরি সমাধান করা যায়নি।এছাড়াও, প্রতিটি ভিন্ন ব্যাটারি রসায়নের জন্য নিরাপত্তা সংক্রান্ত সমস্যাগুলির অন্তর্নিহিত প্রক্রিয়াগুলি পরিবর্তিত হয়।এইভাবে, বিভিন্ন ব্যাটারির জন্য উপযোগী নির্দিষ্ট উপকরণ ডিজাইন করা উচিত।আমরা বিশ্বাস করি যে আরও দক্ষ পদ্ধতি এবং ভাল-পরিকল্পিত উপকরণগুলি আবিস্কার করা বাকি রয়েছে।এখানে, আমরা ভবিষ্যতের ব্যাটারি নিরাপত্তা গবেষণার জন্য বেশ কিছু সম্ভাব্য দিকনির্দেশ তালিকাভুক্ত করি।
প্রথমত, LIB-এর অভ্যন্তরীণ স্বাস্থ্যের অবস্থা সনাক্ত ও নিরীক্ষণের জন্য সিটু বা অপারেন্ডো পদ্ধতিতে বিকাশ করা গুরুত্বপূর্ণ।উদাহরণস্বরূপ, থার্মাল পালানোর প্রক্রিয়াটি LIB-এর মধ্যে অভ্যন্তরীণ তাপমাত্রা বা চাপ বৃদ্ধির সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত।যাইহোক, ব্যাটারির অভ্যন্তরে তাপমাত্রা বন্টন বেশ জটিল, এবং ইলেক্ট্রোলাইট এবং ইলেক্ট্রোডের পাশাপাশি বিভাজকগুলির মানগুলি সঠিকভাবে নিরীক্ষণ করার জন্য পদ্ধতিগুলি প্রয়োজন।এইভাবে, বিভিন্ন উপাদানের জন্য এই পরামিতিগুলি পরিমাপ করতে সক্ষম হওয়া ব্যাটারি নিরাপত্তা ঝুঁকিগুলি নির্ণয়ের জন্য এবং এইভাবে প্রতিরোধ করার জন্য গুরুত্বপূর্ণ।
বিভাজকগুলির তাপীয় স্থিতিশীলতা ব্যাটারির নিরাপত্তার জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ৷উচ্চ গলনাঙ্ক সহ নতুন উন্নত পলিমারগুলি বিভাজকের তাপীয় অখণ্ডতা বৃদ্ধিতে কার্যকর।যাইহোক, তাদের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি এখনও নিকৃষ্ট, ব্যাটারি সমাবেশের সময় তাদের প্রক্রিয়াযোগ্যতা ব্যাপকভাবে হ্রাস করে।অধিকন্তু, মূল্যও একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয় যা ব্যবহারিক প্রয়োগের জন্য বিবেচনা করা উচিত।
কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটের বিকাশ LIB-এর নিরাপত্তা সংক্রান্ত সমস্যার চূড়ান্ত সমাধান বলে মনে হয়।কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট আগুন এবং বিস্ফোরণের ঝুঁকি সহ ব্যাটারির অভ্যন্তরীণ শর্টিং হওয়ার সম্ভাবনাকে ব্যাপকভাবে কমিয়ে দেবে।যদিও কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটগুলির অগ্রগতির জন্য মহান প্রচেষ্টা নিবেদিত হয়েছে, তবে তাদের কর্মক্ষমতা তরল ইলেক্ট্রোলাইটের তুলনায় অনেক পিছিয়ে রয়েছে।অজৈব এবং পলিমার ইলেক্ট্রোলাইটগুলির সংমিশ্রণগুলি দুর্দান্ত সম্ভাবনা দেখায়, তবে তাদের জন্য সূক্ষ্ম নকশা এবং প্রস্তুতির প্রয়োজন।আমরা জোর দিই যে অজৈব-পলিমার ইন্টারফেসগুলির সঠিক নকশা এবং তাদের প্রান্তিককরণের প্রকৌশল দক্ষ লি-আয়ন পরিবহনের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
এটি লক্ষ করা উচিত যে তরল ইলেক্ট্রোলাইট একমাত্র ব্যাটারি উপাদান নয় যা দাহ্য।উদাহরণস্বরূপ, যখন LIB-গুলিকে উচ্চ চার্জ করা হয়, তখন দাহ্য লিথিয়েটেড অ্যানোড উপাদান (উদাহরণস্বরূপ, লিথিয়েটেড গ্রাফাইট)ও একটি বড় নিরাপত্তা উদ্বেগ।শিখা retardants যে দক্ষতার সাথে কঠিন-রাষ্ট্র উপকরণের আগুন রোধ করতে পারে তাদের নিরাপত্তা বাড়ানোর জন্য অত্যন্ত দাবি করা হয়।শিখা প্রতিরোধকগুলি পলিমার বাইন্ডার বা পরিবাহী কাঠামোর আকারে গ্রাফাইটের সাথে মিশ্রিত হতে পারে।
ব্যাটারি নিরাপত্তা একটি বরং জটিল এবং পরিশীলিত সমস্যা.ব্যাটারি নিরাপত্তার ভবিষ্যৎ আরও উন্নত চরিত্রায়ন পদ্ধতির পাশাপাশি আরও গভীর বোঝার জন্য মৌলিক যান্ত্রিক গবেষণায় আরও প্রচেষ্টার জন্য আহ্বান জানায়, যা উপকরণের নকশা গাইড করতে আরও তথ্য দিতে পারে।যদিও এই পর্যালোচনাটি উপাদান-স্তরের নিরাপত্তার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে, তবে এটি লক্ষ করা উচিত যে LIB-এর নিরাপত্তা সমস্যা সমাধানের জন্য আরও একটি সামগ্রিক পদ্ধতির প্রয়োজন, যেখানে উপকরণ, কোষের উপাদান এবং বিন্যাস এবং ব্যাটারি মডিউল এবং প্যাকগুলি ব্যাটারিগুলিকে নির্ভরযোগ্য করতে সমান ভূমিকা পালন করে। তারা বাজারে ছাড়া হয়.
রেফারেন্স এবং নোট
Kai Liu, Yayuan Liu, DingchangLin, Allen Pei, Yi Cui, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি নিরাপত্তার জন্য উপকরণ, ScienceAdvances, DOI:10.1126/sciadv.aas9820
পোস্টের সময়: জুন-০৫-২০২১
