Dalam teknologi modern, dari smartphone ke kendaraan listrik, baterai lithium-ion digunakan. Jenis sumber energi ini memiliki beberapa keunggulan (kapasitas besar, self-discharge rendah, dll.), Tetapi ada juga kelemahannya. Dan jika kehilangan kapasitas selama paparan suhu rendah dalam waktu lama mengganggu, tetapi bukan akhir dari dunia, maka sifat mudah terbakar adalah masalah serius. Kemungkinan penyalaan baterai lithium-ion dijelaskan oleh adanya elektrolit cair di dalamnya, yang, jika rusak atau cacat, bisa menyala. Salah satu solusi untuk masalah ini adalah pengenalan flame retardants khusus ke dalam elektrolit (zat yang memberikan ketahanan terhadap api dengan memperlambat proses pembakaran). Namun, solusi yang jauh lebih menarik untuk masalah panas ini adalah mengganti elektrolit cair dengan keadaan padat (SSE - Solid-State Electrolyte).Masalahnya adalah bahwa SSE, yang secara teori seharusnya memberikan daya tahan yang lebih baik, cukup mudah terbakar, mengingat bahan yang digunakan untuk mengurangi kerapuhannya. Masalahnya ada di sana, tetapi para ilmuwan dari American Chemical Society (ACS), kata mereka, telah menemukan solusi. Bahan apa yang digunakan untuk membuat tipe baru SSE, sifat apa yang dimiliki baterai tipe baru, dan suhu apa yang tahan? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Pergilah.Bahan apa yang digunakan untuk membuat tipe baru SSE, sifat apa yang dimiliki baterai tipe baru, dan suhu apa yang tahan? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Pergilah.Bahan apa yang digunakan untuk membuat tipe baru SSE, sifat apa yang dimiliki baterai tipe baru, dan suhu apa yang tahan? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Pergilah.Dasar studi
Seperti kita ketahui, baterai lithium-ion (selanjutnya LIA) hadir secara harfiah di mana-mana. Peningkatan permintaan untuk LIA telah membuat para produsen dan ilmuwan mulai mencari cara baru untuk meningkatkan kualitas mereka dalam hal kapasitas, karena semua orang ingin baterai bertahan lebih lama, mengeluarkan lebih lambat dan mengisi daya lebih cepat. Namun, pengejaran umur panjang dan "kekuatan" baterai telah mengesampingkan masalah keamanan, khususnya masalah kebakaran. Para penulis penelitian mencatat bahwa dendrit lithium, yang secara bertahap meningkatkan siklus demi siklus pada kepadatan arus yang tinggi, dapat menembus separator yang memisahkan elektroda baterai dan menyebabkan korsleting.Ada banyak solusi untuk masalah pengapian di dalam elektrolit cair: melapisi pemisah dengan partikel keramik, memasukkan penghambat api ke dalam elektrolit itu sendiri, pengatur suhu bawaan, enkapsulasi tahan api melalui polimer, dll.Jika kita beralih dari elektrolit cair ke keadaan padat, maka muncul masalah dengan pembentukan dendritik * Li karena deposisi lithium yang tidak homogen.
Dendrite * - formasi kristal kompleks menyerupai pohon bercabang.
"Stalagmit" litium semacam itu dapat menembus separator dan bahkan katoda, yang dapat menyebabkan korsleting, panas berlebih, kebakaran, dan bahkan ledakan. Selain bahaya proses seperti itu, ada juga efek negatif pada efisiensi baterai di mana dendrit lithium terbentuk.Saat ini, elektrolit solid-state yang ada dapat dibagi menjadi tiga kategori utama: anorganik (keramik / kaca), polimer (SPE), dan hibrida.Elektrolit padat anorganik menarik karena memiliki konduktivitas ionik tertinggi di antara semua jenis SSE. Studi sebelumnya menggambarkan konduktor lithium superionik dengan konduktivitas 25 mS cm cm -1 untuk Li 9,54 Si 1,74 P 1,44 S11,7 Cl 0,3 , yang melebihi kinerja elektrolit cair.Siemens (cm) - unit konduktivitas listrik (1 cm = 1 / ohm); mS (millisiemens) = 10 โ3 cm.
Namun, ketidakstabilan udara, kerapuhan bahan, impedansi antarmuka yang besar, dan fakta bahwa Li dalam hal apa pun menembus SSE anorganik setelah mencapai kerapatan arus kritis, menghambat penggunaan SSE anorganik penuh dalam baterai lithium-ion.Jika kita berbicara tentang elektrolit solid-state polimer (SPE), maka sebagian besar terdiri dari polimer padat dan garam litium, di mana pengotor padat berfungsi sebagai konduktor lithium-ion. Yang paling banyak dipelajari saat ini adalah kombinasi garam lithium dan polietilen oksida (selanjutnya disebut PEO). Struktur ini memiliki biaya rendah, konduktivitas lithium-ion yang tinggi (dibandingkan dengan SPE lain) dan berat yang cukup rendah, yang penting untuk perangkat portabel. Namun, kelembutan internal sistem polimer ini membuatnya tidak dapat menekan penyebaran dendrit lithium. Dengan kata lain, ada potensi, tetapi itu tidak menyelesaikan masalah yang diperlukan, yang hadir dalam jenis lain dari elektrolit solid-state.Mereka mencoba untuk memecahkan masalah ini dengan memperkuat dengan nanopartikel, menghubungkan silang dan mengikat elektrolit "fleksibel" ke pembawa yang kaku. Meskipun manipulasi kompleks ini, SSE polimer komposit yang dihasilkan masih tetap mudah terbakar ( 1a ).
Gambar No. 1Sebelum melakukan penelitian yang sebenarnya, para ilmuwan menguji mudah terbakar SSE nanokomposit tradisional - PEO / LiTFSI / LLZO dan PEO / LiTFSI / Al 2 O 3 , yang, seperti yang diharapkan, sangat mudah terbakar.PEO - polietilena oksida;
LiTFSI - lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide;
LLZO - Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ;
Al 2 O 3 - alumina;
Dalam pandangan ini, para ilmuwan memutuskan untuk menawarkan versi mereka sendiri dari SSE tahan api dan ultralight dengan karakteristik elektrokimia yang sangat baik untuk baterai lithium. Prinsip-prinsip desain elektrolit polimer-polimer solid-retardant nyala api ditunjukkan pada 1b .Hasil penelitian
SSE komposit dibuat dari porous bifunctional polyimide (PI) dan pengisi SPE konduktif ion lithium. Bifungsi dasar terdiri dari film berpori polimida (PI) tahan lama 10 mikron tebal dan ringan decabromodiphenylethane tahan api (DBDPE). Yang terakhir ini tidak hanya sangat tahan lama, yang memastikan pencegahan potensi penetrasi lithium dendrit, tetapi juga tahan api.Pengisi terdiri dari PEO / LiTFSI, yang menyediakan SSE konduktivitas ionik tinggi.Sifat polimer-polimer dari elektrolit komposit memberikan potensi kepadatan energi yang tinggi untuk baterai yang terisi penuh. Artinya, SSE ini tidak hanya tahan api, tetapi juga meningkatkan kapasitas baterai.Ketika akselerasi termal terjadi pada baterai elektrolit keadaan padat PI / DBDPE / PEO / LiTFSI, PI DBDPE yang tidak dapat terbakar nyala secara efektif menekan pembakaran PEO / LiTFSI yang mudah terbakar.Pada awalnya, larutan asam polamat (PAA) dan DBDPE disiapkan. Solusinya kemudian diterapkan pada substrat kaca menggunakan alat pembersih karet untuk mendapatkan film PAA / DBDPE. Untuk mendapatkan porositas pada PAA / DBDPE, larutan dimethylacetamide dan ethanol (DMAC / EtOH) digunakan. Setelah selesai pengeringan, film PAA / DBDPE diimidasi (siklisasi asam tengah menjadi polimida) pada 300 ยฐ C untuk mendapatkan film PI / DBDPE berpori akhir.Setelah pengeringan, film berpori PAA / DBDPE diimidasi pada 300 ยฐ C untuk mendapatkan film berpori PI / DBDPE akhir (film foto selama 1 detik ).Menggunakan pemindaian mikroskop elektron, karakteristik film rinci diperoleh. Gambar 2a menunjukkan morfologi film di sisi depan (eksternal, mis., Kontak dengan udara) selama proses penghalusan dengan squeegee.
Image No. 2Seperti yang kita lihat, pori-pori dan partikel-partikel DBDPE didistribusikan secara merata pada permukaan sisi luar dari film PI / DBDPE. Menurut mikroskop, diameter pori sekitar 500 nm. Pada 2a garis bertitik oranye ditandai partikel DBDPE, dimensi yang berkisar dari submikron hingga beberapa mikron.Morfologi sisi belakang (menghadap kaca) film ditunjukkan dalam 2b, di mana terlihat bahwa ada lebih sedikit partikel DBDPE daripada di sisi depan film. Ukuran pori di sisi ini sama dengan di bagian depan, mis. 500 nm.Foto cross-sectional dari film PI / DBDPE menunjukkan keseragaman yang sangat baik dengan ketebalan konstan sekitar 10 ฮผm ( 2c ). Ditemukan bahwa penggunaan alat pembersih squeegee memungkinkan Anda untuk menyesuaikan ketebalan film dari 10 hingga 25 mikron. 2c juga menunjukkan partikel DBDPE (garis putus-putus oranye), yang mengkonfirmasi porositas yang baik dari sisi belakang film. Di dalam film, pori-pori juga terdistribusi dengan baik, dan diameternya 500 nm, seperti di bagian lain film.Pada gambar 2dSpektroskopi inframerah transformasi Fourier film PI dan partikel DBDPE ditampilkan. Semua puncak dalam spektrum sesuai dengan PI dan DBDPE yang khas, yang mengkonfirmasi komposisi kimia dari film PI, DBDPE, dan PI / DBDPE yang disintesis.Mengingat fungsi separator, tahan panas adalah parameter yang sangat penting untuk bagian baterai ini. Titik leleh rendah pemisah dapat menyebabkan penyusutan parah pemisah pada tahap awal hubungan pendek internal, yang dapat mempercepat proses akselerasi termal. Gambar 2e menunjukkan hasil DSC (kalorimetri pemindaian diferensial - metode analisis termal) film PI / DBDPE, PI, dan PEO / LiTFSI.Tidak ada endotermik yang terdeteksi untuk film PI / DBDPE dan PI *puncak di seluruh rentang pemindaian. Tetapi dalam kasus film PEO / LiTFSI, ada puncak pada ~ 180 ยฐ C. Oleh karena itu, film PI / DBDPE dan PI menunjukkan stabilitas termal yang jauh lebih tinggi daripada film PEO / LiTFSI.Reaksi endotermik * - reaksi kimia di mana panas diserap.
Gambar 2f adalah diagram regangan film yang diperoleh dari uji tarik. Film berpori PI / DBDPE menunjukkan modulus Young sebesar 440 MPa, yang sedikit lebih rendah daripada film berpori PI murni (470 MPa), tetapi hampir 4 kali lipat lebih tinggi daripada PEO / LiTFSI (0,1 MPa). Akibatnya, film PEO / LiTFSI dalam tes ini juga kehilangan banyak dibandingkan dua lainnya, karena kekuatan mekaniknya cukup kecil.Untuk analisis kuantitatif refraktilitas DBDPE, waktu pemadaman sendiri (SET) waktu pemadaman mandiri elektrolit PEO / LiTFSI dengan konsentrasi DBDPE yang berbeda diukur ( 3a) SET diperoleh dengan menormalkan waktu pembakaran nyala sehubungan dengan massa elektrolit. PEO / LiTFSI awal mudah terbakar dengan nilai SET sekitar 120 s / g.
Gambar # 3SET PEO / LiTFSI secara bertahap menurun dengan penambahan DBDPE. Ini menunjukkan bahwa mudah terbakar PEO / LiTFSI menurun dengan meningkatnya persentase DBDPE. Nilai SET turun ke nol ketika konsentrasi DBDPE mencapai 15%.Para ilmuwan telah menyarankan bahwa mekanisme resistensi api DBDPE didasarkan pada reaksi penyerapan radikal bebas ( 3b ), karena DBDPE dapat terurai untuk membentuk radikal bebas brom (Br โข) ketika dipanaskan. Radikal H โข dan OH โข sangat reaktif yang dilepaskan oleh elektrolit yang terbakar dapat ditangkap oleh Br, melemahkan atau menghentikan reaksi pembakaran.Selain itu, produk fase gas, seperti HBr, H 2 O dan Br 2 , dilepaskan dalam reaksi penyerapan radikal bebas, membatasi perpindahan termal dan massa. Produk gas ini mengencerkan konsentrasi oksigen antara sumber panas dan elektrolit, sehingga memperlambat proses pembakaran.Efektivitas DBDPE dalam menekan pembakaran telah diuji dalam praktek dengan tes dengan nyala api yang sebenarnya. Ditentukan bahwa persentase DBDPE dalam film PI adalah 30%. Film PEO / LiTFSI dan PI / DBDPE berperan sebagai sampel kontrol. Film PI / DBDPE / PEO / LiTFSI menunjukkan perbedaan dalam hasil tes kebakaran.Seperti yang terlihat pada gambar 3c, PEO / LiTFSI tanpa DBDPE langsung menyala begitu nyala mendekati film, dan kemudian dengan cepat habis.Gambar 3d menunjukkan tes film PI / DBDPE yang mulai melengkung ketika terkena panas tetapi tidak menyala.Mengisi pori-pori film PI / DBDPE dengan PEO / LiTFSI yang mudah terbakar menyebabkan fakta bahwa pengapian dan pembakaran PEO / LiTFSI secara efektif ditekan, dan SSE tetap utuh karena bahan refraktori DBDPE di dalamnya ( 3e ).Selanjutnya, film PI dan PI / PEO / LiTFSI dibandingkan selama tes mudah terbakar. Film PI murni sepenuhnya refraktori. Tetapi PI / PEO / LiTFSI terbakar sangat cepat, yang menunjukkan pentingnya DBDPE dalam menekan pengapian elektrolit solid-state.Setelah uji pengapian, para ilmuwan melakukan tes siklik untuk menilai stabilitas mekanik SSE PI / DBDPE / PEO / LiTFSI selama lithiation (deposisi lithium) dan selama desorpsi (dalam hal ini, penghapusan lithium) ( 4a ).
Gambar No. 4Densitas saat ini pertama kali diatur ke 0,05 mA cm -2 pada 60 ยฐ C untuk mengaktifkan sel Li / SSE / Li simetris. Setelah kerapatan arus meningkat menjadi 0,1 pada siklus keenam, korsleting terjadi segera pada PEO / LiTFSI murni ( 4b ). Selain itu, PI / DBDPE / PEO / LiTFSI menunjukkan karakteristik yang jauh lebih stabil selama 300 jam pada 60 ยฐ C. Ini menunjukkan bahwa struktur seperti itu dengan sempurna mencegah pembentukan dendrit lithium.Selanjutnya, uji elektrokimia PI / DBDPE / PEO / LiTFSI dilakukan pada 60 ยฐ C. Katoda baterai uji terbuat dari LiFePO 4 (LFP), dan anoda lithium. Kelompok kontrol baterai dibuat dengan prinsip yang sama, tetapi tanpa menyalakan PEO / LiTFSI.Seperti yang terlihat pada 4c , baterai PI / DBDPE / PEO / LiTFSI menunjukkan kinerja yang sangat baik. Profil tegangan pada kecepatan yang berbeda menunjukkan dataran tinggi yang bersih sekitar 3,45 V, yang merupakan ciri khas untuk katoda LFP. Kapasitas spesifik LFP / PI / DBDPE / PEO / LiTFSI / Li cukup tinggi untuk semua opsi siklus ( 4d ): 163 mAh g -1 , 152 mAh g -1 , 143 mAh g -1 , 143 mAh g -1 dan 131 mAh g -1 . Tetapi untuk LFP / PEO / LiTFSI / Li indikator ini lebih rendah: 134 mAh g-1 , 129 mAh g -1 , 122 mAh g -1 dan 115 mAh g -1 ( 4e ). Kombinasi data ini menunjukkan kinerja tinggi PI / DBDPE / PEO / LiTFSI.Selanjutnya, stabilitas termal PI / DBDPE dibandingkan dengan pemisah PE dan PEO / LiTFSI ( 5a ).
Gambar No. 5Ketika terkena suhu 150 ยฐ C selama 30 menit, area pemisah dibelah dua, sementara PEO / LiTFSI meleleh. Sebaliknya, dalam PI / DBDPE, tidak ada perubahan signifikan dalam ukuran film dan morfologi yang diamati.Untuk efek yang lebih besar, para ilmuwan memutuskan untuk melakukan tes lain - tes penyalahgunaan termal (pada 5bmenunjukkan operasi baterai selama tes ini).Katoda adalah LFP, dan anoda adalah Li 4 Ti 5 O 12 (LTO). Satu-satunya perbedaan antara sampel yang diuji adalah elektrolit.Nyala mempengaruhi tiga varian sampel ( 5c - 5e ): elektrolit cair / polimer (EC / DEC / PE - etilena karbonat / dietil karbonat / polietilen); elektrolit polimer konvensional dan uji SSE (PI / DBDPE / PEO / LiTFSI).Sampel EC / DEC / PE dan PEO / LiTFSI gagal menerangi LED setelah menyala masing-masing selama 18 dan 24 detik. Sampel PI / DBDPE / PEO / LiTFSI terus mendukung operasi LED bahkan setelah 24 detik paparan api.Tes ini adalah opsi hiperbola untuk penyalahgunaan baterai. Namun, bahkan ia menunjukkan bahwa PI / DBDPE / PEO / LiTFSI memiliki ketahanan panas yang sangat baik.Materi video untuk penelitian:
โ1: PEO/LiTFSI/LLZO.
โ2: PEO/LiTFSI/Al2O3.
โ3: PEO/LiTFSI/DBDPE ( DBDPE 15 %).
โ4: PEO/LiTFSI.
โ5: PI/DBDPE.
โ6: PI/DBDPE/PEO/LiTFSI.
โ7: PI.
โ8: PI/PEO/LiTFSI.
โ9: EC/DEC/PE.
โ10: PEO/LiTFSI.
โ11: PI/DBDPE/PEO/LiTFSI.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.Epilog
Dalam karya ini, para ilmuwan telah menunjukkan bahwa penciptaan baterai yang lebih aman, tanpa mengurangi karakteristik kapasitifnya, sangat mungkin terjadi. Untuk ini, kami menggunakan film berpori berpori dengan bahan tahan api DBDPE sebagai dasarnya dan PEO / LiTFSI sebagai pengisi penghantar ion. Pencapaian utama dari baterai hybrid baru adalah ketahanan terhadap api. Namun, ini bukan satu-satunya di mana penemuan ini melampaui pendahulunya. Jadi, misalnya, baterai hibrida telah menunjukkan stabilitas siklus yang sangat baik dan kapasitas yang mengesankan.Dalam mengejar peningkatan satu indikator, yang lain sering menderita. Begitu pula dengan baterai, ketika semua perhatian diberikan pada kapasitas dan durasi hidup mereka, dan masalah pengapian tetap ada di sela-sela. Tentu saja, sekarang banyak ilmuwan sedang mengembangkan jenis baterai baru yang berbeda dari lithium-ion, yang dapat menggabungkan semua kemungkinan keuntungan dari pendahulunya, meninggalkan kelemahan mereka. Namun, sementara tidak ada baterai super seperti itu, Anda tidak boleh meremehkan untuk meningkatkan apa yang tersedia.Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan memiliki minggu kerja yang baik, kawan. :)Sedikit iklan :)
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?