آلية مزدوجة لمثبطات اللهب تساعد على قمع الانفلات الحراري في بطاريات الليثيوم المعدنية مع تحسين الأداء الكهروكيميائي

آلية مزدوجة لمثبطات اللهب تساعد على قمع الانفلات الحراري في بطاريات الليثيوم المعدنية مع تحسين الأداء الكهروكيميائي

على الرغم من أن بطاريات الليثيوم المعدنية (LMBs) قد تم بحثها على نطاق واسع، إلا أن اعتمادها كمصادر للطاقة لمركبات النقل لا يزال يمثل تحديًا من منظور السلامة والمتانة.

لذلك، لتعزيز السلامة والأداء الكهروكيميائي لبطاريات معدن الليثيوم، قام فريق مكون من كي جاي كيم من قسم علوم الطاقة في جامعة سونجكيونكوان، وهيون سيونج كيم من مركز أبحاث البطاريات المتقدمة في المعهد الكوري لتكنولوجيا الإلكترونيات، وجانغ ووك تشوي من كلية الهندسة الكيميائية والبيولوجية ومعهد بحوث العمليات الكيميائية في جامعة سيول الوطنية، بتصميم فاصل دقيق يتكون من عشاري البروم ثنائي فينيل الإيثان (DBDPE) ومركب CaO النانوي. يضفي هذا التصميم في الوقت نفسه خصائص مثبطات اللهب ويحسن أداء نقل أيونات الليثيوم. أثناء التشغيل العادي، تعمل جزيئات CaO المطلية على تعزيز نقل أيونات الليثيوم وتحسين أداء تدوير LMBs بسبب زيادة كفاءة تدوير معدن الليثيوم، دون التسبب في أي تفاعلات جانبية. على العكس من ذلك، في ظل ظروف غير طبيعية، وخاصة في درجات الحرارة المرتفعة، يخضع CaO وDBDPE المطلي لتفاعل كيميائي، حيث يعمل كعامل إطفاء حريق داخل LMB. يُظهر DBDPE خصائص مثبطات اللهب في الطور الغازي، مما يولد HBr عند درجات حرارة عالية، والذي يتفاعل لاحقًا مع بلورات CaO النانوية لتكوين CaBr₂، الذي يمتلك خصائص مثبطات اللهب في الطور السائل. وبالتالي، يتم ملاحظة خصائص مثبطات اللهب في الطور السائل والطور الغازي في فاصل البولي إيثيلين المطلي بـ DBDPE-CaO (DCPE) داخل LMBs من النوع الكيس. يُعزى تكوين المواد المعتمدة على الهالوجين في الموقع في LMB إلى استراتيجية مثبطات اللهب القائمة على آلية كيميائية عفوية. وبالتالي، فإن الوظيفة الفريدة لفاصل DCPE تعمل على تحسين الأداء الكهروكيميائي وسلامة LMBs. تم نشر هذا العمل، الذي يحمل عنوان 'آلية مثبطات اللهب المزدوجة بمساعدة القمع الحراري للانفلات الحراري في بطاريات معدن الليثيوم مع أداء كهروكيميائي محسّن' في مجلة Advanced Energy Materials. المؤلف الأول هو جين هيوك يانغ.

الشكل 1. رسوم بيانية تخطيطية توضح آلية تعزيز عشاري البروم ثنائي فينيل إيثان وفاصل البولي إيثيلين المطلي بأكسيد الكالسيوم (DCPE) مقارنة بفاصل البولي إيثيلين في ظل ظروف التشغيل (أ) العادية و(ب) غير الطبيعية.

الشكل 2. أ) صورة SEM للمركب النانوي DBDPE-CaO المركب، ب) رسم خرائط Br وCa EDS، ج) صورة TEM للجزيئات المركبة، د) FFT لمنطقة غير متبلورة وصورة TEM المقابلة، ه) صورة HR-TEM، و) نمط SAED للجسيمات البلورية.

الشكل 3. أ) قوة الشد من PE وDCPE، ب) الانكماش الحراري، ج) التوصيل الأيوني (أقحم: اختبار النقع)، د) الطاقة الملزمة المحسوبة لأنيون سداسي فلوروفوسفات إلى كتلة CaO، ه) رقم التحويل، و) أطياف رامان التي تم الحصول عليها من PE وDCPE، على التوالي.

الشكل 4. أ) أداء ركوب الدراجات بكثافة تيار وسعة مساحة تبلغ 1 مللي أمبير سم⁻²، ب) قدرة معدل خلايا Li المتماثلة بسعة مساحة تبلغ 2 مللي أمبير ح سم⁻². صور SEM لأقطاب Li من الخلايا المفككة: ج) صور SEM السطحية و d) المقطعية لمعدن الليثيوم بعد الدورتين الأولى والخامسة عشرة باستخدام PE أو DCPE، e) إشارات ToF-SIMS ثلاثية الأبعاد لمكونات SEI المودعة على أقطاب Li بعد الدورة الخامسة عشرة باستخدام PE وDCPE.

الشكل 5. أ) ملامح الجهد ترسيب الليثيوم الأولي، ب) كفاءة Coulombic من خلايا النحاس/لي، ج) القدرة على ركوب الدراجات من بطاريات Li/NCM811 باستخدام PE وDCPE.

الشكل 6. تحليل STA-MS لـ DBDPE وDCPE: أ) منحنى TG-DTA من DBDPE وBD) أطياف الكتلة، ه) منحنى TG-DTA من DCPE وfh) أطياف الكتلة.

الشكل 7. أ) رسم تخطيطي لآلية مثبطات اللهب في الطور المكثف لـ CaBr₂، ب) رسم تخطيطي لآلية مثبطات اللهب في الطور الغازي لـ HBr، ج) رسم تخطيطي لبطارية ليثيوم معدنية باستخدام فاصل PE مطلي بـ DCPE في ظل الحالة الطبيعية وأثناء الهروب الحراري. د) نتائج اختبار مثبطات اللهب للإلكتروليت بدون DBDPE، ومع DBDPE، ومع DBDPE-CaO، وهـ) نتائج اختبار مثبطات اللهب للـ PE المنقوع في الإلكتروليت، والـ PE المطلي بـ DBDPE، وDCPE.

الاستنتاج:
تظهر الإضافات المثبطة للهب الموجودة في الكائنات LMB مفاضلة واضحة بين مثبطات اللهب والأداء الكهروكيميائي. ومع ذلك، في هذه الدراسة، أدى تطبيق مركب DBDPE-CaO النانوي على فاصل البولي إيثيلين من خلال عملية طلاء بسيطة إلى تعزيز أداء تثبيط اللهب والأداء الكهروكيميائي. تشير نتائج أداء السلامة إلى أن HBr(g) وCaBr₂(s) المتولدة بواسطة DCPE في درجات حرارة عالية تظهر خصائص إطفاء ممتازة. يعمل المركب النانوي DBDPE-CaO المُصنّع عمدًا على إخماد حرائق البطاريات بشكل فعال عن طريق توليد مثبطات اللهب ذات الطور المكثف (CR) والغازية (FR). يتم التقاط البروم المنطلق من DBDPE على الفور بواسطة CaO، مكونًا CaBr₂، والذي يساهم لاحقًا في تكوين HBr. وبالتالي، يتم تحقيق الإجراء المتزامن CR وFR من خلال DCPE. تم تطوير FR باستخدام هذه الطريقة لتحسين أداء السلامة بشكل كبير حتى في ظل ظروف إساءة استخدام البطارية العملية. تظهر نتائج اختبار الغرفة الحرارية أنه أثناء الهروب الحراري، كان ارتفاع درجة الحرارة أقل من النصف، وتأخر ظهوره لعدة دقائق مقارنة بفواصل PE التقليدية. وهذا يوفر لنظام إدارة البطارية وقتًا إضافيًا كافيًا لاكتشاف بداية الانفلات الحراري وتنفيذ تدابير السلامة لمنع حدوث أضرار لاحقة. علاوة على ذلك، يمكن دمج هذه التقنية مع مكونات البطارية المختلفة (مثل الأقطاب الكهربائية المحددة، والإلكتروليتات الصلبة، والإلكتروليتات البوليمرية) باستخدام طريقة بسيطة ومباشرة. ومن الممكن أن تعمل هذه الإستراتيجية على تعزيز أداء الفاصل في الأنظمة ذات كثافة الطاقة العالية، وبالتالي تقديم مسار جديد لتحسين خصائص السلامة للكائنات متوسطة الحجم.