RU2773266C1 - Method for suppression of thermal escape of lithium batteries - Google Patents
Method for suppression of thermal escape of lithium batteries Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773266C1 RU2773266C1 RU2021121921A RU2021121921A RU2773266C1 RU 2773266 C1 RU2773266 C1 RU 2773266C1 RU 2021121921 A RU2021121921 A RU 2021121921A RU 2021121921 A RU2021121921 A RU 2021121921A RU 2773266 C1 RU2773266 C1 RU 2773266C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal ions
- active substance
- lithium battery
- lithium
- ions
- Prior art date
Links
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 85
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 84
- 230000001629 suppression Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 136
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 94
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 94
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 47
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910001420 alkaline earth metal ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 79
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 45
- -1 aluminum ions Chemical class 0.000 claims description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 11
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 10
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 claims description 10
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Inorganic materials [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 8
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 claims description 8
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 8
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 4
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims description 3
- 229910016569 AlF 3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 claims 3
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims 1
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 claims 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 10
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 10
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 8
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium Ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 5
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N Dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 4
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 4
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 4
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 3
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 210000002356 Skeleton Anatomy 0.000 description 3
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001965 increased Effects 0.000 description 3
- 229920000592 inorganic polymer Polymers 0.000 description 3
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N Stearic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940072056 alginate Drugs 0.000 description 2
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 description 2
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 description 2
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical class [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- BVDRUCCQKHGCRX-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydroxypropyl formate Chemical compound OCC(O)COC=O BVDRUCCQKHGCRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000215068 Acacia senegal Species 0.000 description 1
- SXVBHNXTPNLOKR-FCLWLKJISA-L Calcium alginate Chemical compound [Ca+2].O1[C@@H](C([O-])=O)[C@@H](OC)[C@H](O)[C@H](O)[C@@H]1O[C@@H]1[C@@H](C([O-])=O)O[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O SXVBHNXTPNLOKR-FCLWLKJISA-L 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 description 1
- 229940045110 Chitosan Drugs 0.000 description 1
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 description 1
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical group CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 1
- 229920000084 Gum arabic Polymers 0.000 description 1
- KDXKERNSBIXSRK-YFKPBYRVSA-N L-lysine Chemical compound NCCCC[C@H](N)C(O)=O KDXKERNSBIXSRK-YFKPBYRVSA-N 0.000 description 1
- GUBGYTABKSRVRQ-UUNJERMWSA-N Lactose Natural products O([C@@H]1[C@H](O)[C@H](O)[C@H](O)O[C@@H]1CO)[C@H]1[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](CO)O1 GUBGYTABKSRVRQ-UUNJERMWSA-N 0.000 description 1
- 229960001375 Lactose Drugs 0.000 description 1
- 239000004472 Lysine Substances 0.000 description 1
- 229920002774 Maltodextrin Polymers 0.000 description 1
- 239000005913 Maltodextrin Substances 0.000 description 1
- 229910020814 NaAl(OH)4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000020 Nitrocellulose Substances 0.000 description 1
- 239000005662 Paraffin oil Substances 0.000 description 1
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 1
- 229920001748 Polybutylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 0.000 description 1
- 229940068984 Polyvinyl Alcohol Drugs 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N Silicon monoxide Chemical class [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940080237 Sodium Caseinate Drugs 0.000 description 1
- IYJYQHRNMMNLRH-UHFFFAOYSA-N Sodium aluminate Chemical compound [Na+].O=[Al-]=O IYJYQHRNMMNLRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 229940032147 Starch Drugs 0.000 description 1
- 235000021355 Stearic acid Nutrition 0.000 description 1
- DCXXMTOCNZCJGO-UHFFFAOYSA-N Stearin Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OCC(OC(=O)CCCCCCCCCCCCCCCCC)COC(=O)CCCCCCCCCCCCCCCCC DCXXMTOCNZCJGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GLDOVTGHNKAZLK-UHFFFAOYSA-N Stearyl alcohol Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCCO GLDOVTGHNKAZLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 235000010489 acacia gum Nutrition 0.000 description 1
- 239000000205 acacia gum Substances 0.000 description 1
- 230000003213 activating Effects 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000002194 amorphous carbon material Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910001423 beryllium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 235000010410 calcium alginate Nutrition 0.000 description 1
- 239000000648 calcium alginate Substances 0.000 description 1
- 229960002681 calcium alginate Drugs 0.000 description 1
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004203 carnauba wax Substances 0.000 description 1
- 235000013869 carnauba wax Nutrition 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 239000008119 colloidal silica Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive Effects 0.000 description 1
- 150000001982 diacylglycerols Chemical class 0.000 description 1
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 1
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 150000002191 fatty alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 1
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 1
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 1
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 1
- 229920000876 geopolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- GUBGYTABKSRVRQ-XLOQQCSPSA-N lactose Chemical compound O[C@@H]1[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1O[C@@H]1[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@H](O)[C@H]1O GUBGYTABKSRVRQ-XLOQQCSPSA-N 0.000 description 1
- 239000008101 lactose Substances 0.000 description 1
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940035034 maltodextrin Drugs 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000004200 microcrystalline wax Substances 0.000 description 1
- 235000019808 microcrystalline wax Nutrition 0.000 description 1
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 description 1
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001220 nitrocellulos Polymers 0.000 description 1
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 229920000921 polyethylene adipate Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 235000019422 polyvinyl alcohol Nutrition 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002153 silicon-carbon composite material Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001340 slower Effects 0.000 description 1
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000008117 stearic acid Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000002522 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000001993 wax Substances 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СВЯЗАННЫЕ ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИCROSS-REFERENCES TO RELATED PATENT APPLICATIONS
Эта заявка в соответствии с параграфом 119(a) раздела 35 Свода законов США испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №63/058,205, поданной 29 июля 2020 г., и предварительной заявки на патент США №63/087,563, поданной 5 октября 2020 г., полное содержание которых таким образом включено в данную заявку для любых целей посредством ссылки.This application, pursuant to paragraph 119(a) of
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Настоящее изобретение относится к способу повышения безопасности литиевых батарей, в частности к способу подавления теплового убегания литиевых батарей путем пассивации слоя активного вещества положительного электрода и слоя активного вещества отрицательного электрода.The present invention relates to a method for improving the safety of lithium batteries, and more specifically, to a method for suppressing thermal runaway of lithium batteries by passivating a positive electrode active layer and a negative electrode active layer.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
Поскольку литий-ионные батареи широко используются в различных продуктах, таких как транспортные средства, носимые устройства для потребительского и промышленного применения, портативные устройства, устройства хранения энергии и т.д., то они применяются почти во всех сферах повседневной жизни человека. Тем не менее, время от времени все еще появляется информация об инцидентах, связанных с литий-ионными аккумуляторными батареями, таких как пожары или взрывы аккумуляторных батарей мобильных телефонов и электромобилей. Все это связано с тем, что литиевые батареи до сих пор не имеют комплексных и эффективных решений проблем безопасности. Основная причина таких небезопасных происшествий, как возгорания или взрывы литиевых батарей это тепловое убегание. И основной причиной теплового убегания литиевых батарей является тепло, которое представляет собой результат экзотермических реакций, возникающих в результате термического растрескивания пленки SEI (разделяющей твердый электролит), самого электролита, связующего вещества, а также активных веществ положительного и отрицательного электродов в батарее, вызванного повышенной температурой. Существующие способы подавления теплового убегания можно разделить на два типа: находящиеся снаружи аккумуляторного элемента и внутри него, в зависимости от выбранного расположения. В качестве средства подавления, располагающегося снаружи аккумуляторного элемента, применяется система мониторинга, которая использует цифровое арифметическое моделирование. Средства подавления, располагающиеся внутри аккумуляторного элемента, можно далее разделить на физические или химические. В цифровой системе мониторинга, расположенной снаружи аккумуляторного элемента, для улучшения контроля безопасности аккумулятора во время процесса использования используются специальная схема защиты и специальная система управления, находящиеся снаружи аккумуляторного элемента. Используемые внутри аккумуляторного элемента средства подавления физического типа, такие как сепаратор с защитой от перегрева, при повышенной температуре аккумуляторной ячейки закрывают отверстия сепаратора, блокируя прохождение ионов.Since lithium-ion batteries are widely used in various products such as vehicles, wearable devices for consumer and industrial applications, portable devices, energy storage devices, etc., they are used in almost all areas of human daily life. However, from time to time there are still reports of incidents involving lithium-ion batteries, such as fires or explosions in mobile phone and electric vehicle batteries. All this is due to the fact that lithium batteries still do not have comprehensive and effective solutions to safety problems. The main cause of unsafe accidents such as lithium battery fires or explosions is thermal runaway. And the main reason for the thermal runaway of lithium batteries is heat, which is the result of exothermic reactions resulting from thermal cracking of the SEI (solid electrolyte separating) film, the electrolyte itself, the binder, and the active substances of the positive and negative electrodes in the battery, caused by elevated temperature. . Existing methods for suppressing thermal runaway can be divided into two types: outside the battery cell and inside it, depending on the chosen location. As a suppression means located on the outside of the battery cell, a monitoring system that uses digital arithmetic simulation is adopted. The means of suppression located inside the battery cell can be further divided into physical or chemical. The digital monitoring system located outside the battery cell uses a special protection circuit and a special control system outside the battery cell to improve the safety control of the battery during the process of use. Physical-type suppression means used inside the battery cell, such as a separator with overheating protection, close the holes of the separator at an elevated temperature of the battery cell, blocking the passage of ions.
Используемые внутри аккумуляторного элемента средства подавления теплового убегания химического типа делятся на средства контроля масштаба убегания и средства, основанные на электрохимических реакциях. В качестве средства контроля масштаба теплового убегания используется добавление в электролит огнезащитного состава, ограничивающего нагрев. Средства подавления, основанные на электрохимических реакциях, предусматривают использование следующих их типов:The chemical-type thermal runaway suppression means used inside the battery cell are divided into runaway scale control means and means based on electrochemical reactions. As a means of controlling the scale of thermal runaway, the addition of a flame retardant composition to the electrolyte, which limits heating, is used. Means of suppression based on electrochemical reactions include the use of the following types:
а. В электролит добавляют мономер или олигомер. В этом случае, при повышении температуры будет происходить полимеризация, снижающая скорость миграции ионов. Следовательно, ионная проводимость уменьшается с повышением температуры, и скорость электрохимической реакции в ячейке замедляется;a. A monomer or oligomer is added to the electrolyte. In this case, as the temperature rises, polymerization will occur, reducing the ion migration rate. Therefore, ionic conductivity decreases with increasing temperature, and the rate of the electrochemical reaction in the cell slows down;
б. Между слоем положительного электрода или слоем отрицательного электрода и соседним токосъемным слоем располагается резистивный материал с положительным температурным коэффициентом (ПТК). Когда температура аккумуляторного элемента повышается, улучшается электроизоляционная способность этого материала. Эффективность передачи электроэнергии между слоем положительного электрода или слоем отрицательного электрода и соседним токосъемным слоем снижается, как и скорость электрохимической реакции; а такжеb. Between the positive electrode layer or the negative electrode layer and the adjacent current collector layer is a positive temperature coefficient (PTC) resistive material. As the temperature of a battery cell rises, the electrical insulating capacity of that material improves. The efficiency of electric power transfer between the positive electrode layer or the negative electrode layer and the adjacent current-collecting layer is reduced, as is the rate of the electrochemical reaction; as well as
с. На поверхности активного вещества положительного электрода формируется модифицированный слой. Когда температура аккумуляторного элемента повышается, модифицированный слой превращается в плотную пленку, которая увеличивает сопротивление переносу заряда и снижает скорость электрохимической реакции.With. A modified layer is formed on the surface of the active substance of the positive electrode. When the temperature of the battery cell rises, the modified layer turns into a dense film, which increases the resistance to charge transfer and reduces the rate of the electrochemical reaction.
Например, в соответствии с патентом США 9711774, термочувствительный слой может быть расположен между электродами и сепаратором. Когда литий-ионная аккумуляторная батарея находится в состоянии теплового убегания и внутренняя температура повышается до критического значения, частицы полимера претерпевают процесс теплового перехода (плавление) для образования изолирующего барьера на электродах, который блокирует перенос ионов лития между электродами и отключает внутренний ток батареи.For example, according to US Pat. No. 9,711,774, a temperature sensitive layer may be located between the electrodes and the separator. When a lithium-ion battery is in a thermal runaway state and the internal temperature rises to a critical value, the polymer particles undergo a thermal transition (melting) process to form an insulating barrier on the electrodes, which blocks the transfer of lithium ions between the electrodes and cuts off the battery's internal current.
Однако вышеперечисленные способы нацелены только на пассивное блокирование пути миграции ионов или электронов для уменьшения тепловыделения, не позволяя основному источнику, главному реагенту всей электрохимической реакции, т.е. активным веществам электродов, генерировать максимальную энергию, что и вызывает тепловое убегание. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает способ подавления теплового убегания литиевых батарей путем уменьшения тепловой энергии, приводящей к тепловому убеганию, неуправляемому нагреву активных веществ, для уменьшения или устранения вышеупомянутых проблем.However, the above methods are only aimed at passively blocking the migration path of ions or electrons to reduce heat generation, preventing the main source, the main reactant of the entire electrochemical reaction, i.e. active substances of the electrodes, to generate maximum energy, which causes thermal runaway. Therefore, the present invention provides a method for suppressing the thermal runaway of lithium batteries by reducing the thermal energy resulting in thermal runaway, uncontrolled heating of active substances, in order to reduce or eliminate the aforementioned problems.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Целью настоящего изобретения является предоставление совершенно нового способа подавления теплового убегания литиевых батарей, который заключается в пассивации активных веществ положительного и отрицательного электродов с целью заблокировать протекание электрохимической реакции, чтобы эффективно избежать теплового убегания батареи.The purpose of the present invention is to provide a completely new method for suppressing the thermal runaway of lithium batteries, which is to passivate the active substances of the positive and negative electrodes to block the electrochemical reaction, so as to effectively avoid the thermal runaway of the battery.
Для реализации описанного выше, в настоящем изобретении раскрывается способ подавления теплового убегания литиевых батарей, который включает в себя следующие этапы: этап (а): обеспечение литиевой батареи, способной заряжаться и разряжаться, которая содержит в себе электрохимическую реакционную систему; и этап (b): нанесение ионов металла (А) и ионов амфотерного металла (В) на слой активного вещества положительного электрода и слой активного вещества отрицательного электрода литиевой батареи, когда температура литиевой батареи достигает заданного значения, для пассивации слоя активного вещества положительного электрода и слоя активного вещества отрицательного электрода, чтобы заблокировать протекание электрохимической реакции и эффективно избежать теплового убегания батареи. Ионы металлов (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетаний.To implement the above, the present invention discloses a method for suppressing thermal runaway of lithium batteries, which includes the following steps: step (a): providing a lithium battery capable of charging and discharging, which contains an electrochemical reaction system; and step (b): applying metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) to the positive electrode active substance layer and the negative electrode active substance layer of the lithium battery when the temperature of the lithium battery reaches a predetermined value to passivate the positive electrode active substance layer, and active substance layer of the negative electrode to block the electrochemical reaction and effectively avoid battery thermal runaway. The metal ions (A) are selected from alkali metal ions other than lithium, alkaline earth metal ions, or combinations thereof.
Дальнейший объем применимости настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приведенного ниже. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя и показывают предпочтительные варианты осуществления изобретения, даны только в качестве иллюстрации, поскольку различные изменения и модификации в пределах сущности и объема изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники из этого подробного описания.Further scope of applicability of the present invention will become apparent from the detailed description below. However, it should be understood that the detailed description and specific examples, while showing preferred embodiments of the invention, are given by way of illustration only, as various changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art from this detailed description.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУРBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Настоящее изобретение станет более понятным из подробного описания, приведенного ниже только в качестве иллюстрации, и, таким образом, не ограничивающего настоящее изобретение, и в котором:The present invention will become better understood from the detailed description below, by way of illustration only, and thus not limiting the present invention, and in which:
Фигура 1 представляет собой блок-схему, показывающую пример этапов способа подавления теплового убегания литиевых батарей в соответствии с настоящим изобретением.Figure 1 is a flowchart showing an example of the steps of a method for suppressing thermal runaway of lithium batteries in accordance with the present invention.
Фигура 2 представляет собой блок-схему, показывающую другой пример этапов способа подавления теплового убегания литиевых батарей в соответствии с настоящим изобретением.Figure 2 is a flowchart showing another example of the steps of the method for suppressing thermal runaway of lithium batteries in accordance with the present invention.
Фигуры 3А и 3В являются принципиальными схемами аккумуляторных элементов в соответствии с фигурой 2.Figures 3A and 3B are schematic diagrams of the battery cells according to Figure 2.
Фигура 4 - принципиальная схема другого варианта осуществления аккумуляторных элементов в соответствии с фигурой 2.Figure 4 is a schematic diagram of another embodiment of the battery cells according to Figure 2.
Фигура 5 блок-схема, показывающая другой пример этапов способа подавления теплового убегания литиевых батарей в соответствии с настоящим изобретением.Figure 5 is a flowchart showing another example of the steps of the method for suppressing thermal runaway of lithium batteries in accordance with the present invention.
Фигура 6 - принципиальная схема варианта осуществления литиевой батареи с подавлением теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.Figure 6 is a schematic diagram of an embodiment of a lithium battery with thermal runaway suppression in accordance with the present invention.
Фигура 7А принципиальная схема слоя активного вещества с поставщиком ионов для применения ионов металлов (А) и (В) в соответствии с настоящим изобретением.Figure 7A is a schematic diagram of an active substance layer with an ion supplier for the use of metal ions (A) and (B) in accordance with the present invention.
Фигура 7В - принципиальная схема сепаратора, покрытого поставщиком ионов, для применения ионов металлов (А) и (В) в соответствии с настоящим изобретением.Figure 7B is a schematic diagram of a separator coated with an ion supplier for the use of metal ions (A) and (B) in accordance with the present invention.
Фигура 7С - принципиальная схема сепаратора в соответствии с настоящим изобретением, поверхность которого содержит керамические порошки и поставщик ионов.Figure 7C is a schematic diagram of a separator in accordance with the present invention, the surface of which contains ceramic powders and an ion supplier.
Фигура 7D - принципиальная схема керамических порошков, смешанных с поставщиком ионов, для применения ионов металлов (А) и (В) в соответствии с настоящим изобретением.Figure 7D is a schematic diagram of ceramic powders mixed with an ion supplier for the use of metal ions (A) and (B) in accordance with the present invention.
Фигура 8 представляет собой рентгеновскую дифрактограмму, на которой концентрации 30% NaOH(aq), 30% NaAl(OH)4(aq), 30% NaCl(aq), 10% LiOH(aq) и 30% KOH(aq) реагируют с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития.Figure 8 is an X-ray diffraction pattern in which concentrations of 30% NaOH (aq) , 30% NaAl(OH)4 (aq) , 30% NaCl (aq) , 10% LiOH (aq) and 30% KOH (aq) react with active substance of the positive electrode with the release of lithium ions.
Фигура 9 представляет собой рентгеновскую дифрактограмму до и после того, как активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития подвергается воздействию ионов натрия/калия и ионов алюминия.Figure 9 is an X-ray diffraction pattern before and after the active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions is exposed to sodium/potassium ions and aluminum ions.
Фигура 10 показывает кривую напряжения и температуры для испытания на тепловое убегание обычного элемента литиевой батареи.Figure 10 shows a voltage and temperature curve for a thermal runaway test of a conventional lithium battery cell.
Фигура 11 показывает кривую напряжения и температуры для элемента литиевой батареи с подавлением теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.Figure 11 shows a voltage and temperature curve for a thermal runaway suppressing lithium battery cell in accordance with the present invention.
Фигуры 12А-12С являются изображениями результатов капания различных растворов, выбранных, соответственно, из чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH)4(aq), на катод со 100% состоянием зарядки.Figures 12A-12C are depictions of the results of dropping various solutions, respectively selected from pure water, NaOH (aq) and NaAl(OH) 4(aq) onto a 100% state of charge cathode.
Фигуры 13А-13С являются изображениями результатов капания различных растворов, выбранных, соответственно, из чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH)4(aq), на анод со 100% состоянием зарядки.Figures 13A-13C are depictions of the results of dropping various solutions, respectively selected from pure water, NaOH (aq) and NaAl(OH) 4(aq) onto an anode with a 100% state of charge.
Фигура 13D изображение фигуры 13С, на котором пена зажимается зажимным приспособлением.Figure 13D is a representation of Figure 13C showing the foam being clamped by the jig.
Фигуры 14А и 14В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа катода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, на который 30% водный раствор гидроксида натрия капал в течение примерно 1 часа.Figures 14A and 14B are scanning electron microscope images of a battery cathode charged at 40% and 100%, respectively, onto which a 30% aqueous sodium hydroxide solution has been dripped for about 1 hour.
Фигуры 15А и 15В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа анода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, на который 30% водный раствор гидроксида натрия капал в течение примерно 1 часа.Figures 15A and 15B are scanning electron microscope images of a battery anode charged at 40% and 100%, respectively, onto which a 30% aqueous solution of sodium hydroxide has been dripped for about 1 hour.
Фигуры 16А и 16В термограммы с дифференциального сканирующего калориметра для катода и анода с использованием 20% NaAl(OH4)(aq).Figures 16A and 16B thermal images from the differential scanning calorimeter for the cathode and anode using 20% NaAl(OH 4 ) (aq) .
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Настоящее изобретение будет описано в отношении конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на определенные фигуры, но изобретение не ограничивается ими, а только своей патентной формулой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение объема изобретения. Описанные фигуры являются только схематическими и не ограничивают объем изобретения. На фигурах размеры некоторых элементов могут быть преувеличены и не отображаться в масштабе в иллюстративных целях.The present invention will be described with respect to specific embodiments and with reference to certain figures, but the invention is not limited thereto, but only by its patent claims. Any reference positions in the claims should not be construed as limiting the scope of the invention. The figures described are only schematic and do not limit the scope of the invention. In the figures, the dimensions of some elements may be exaggerated and not shown to scale for illustrative purposes.
Используемая здесь терминология предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения общей концепции изобретения. Используемые здесь формы единственного числа предназначены для включения также и форм множественного числа, если контекст явно не подразумевает иное. Если не указано иное, все термины (включая технические и научные), используемые в данном документе, имеют то же значение, которое обычно понимается специалистом в данной области техники, к которой относятся примерные варианты осуществления. Далее следует понимать, что термины, такие как те, которые определены в широко применяемых словарях, должны интерпретироваться как имеющие значение, которое согласуется с их значением в контексте соответствующей области науки и техники, и не должны интерпретироваться в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если только это прямо не определено в данном документе.The terminology used here is only intended to describe specific embodiments and is not intended to limit the general concept of the invention. The singular forms used herein are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly dictates otherwise. Unless otherwise indicated, all terms (including technical and scientific) used herein have the same meaning as generally understood by a person skilled in the art to which the exemplary embodiments relate. It is further to be understood that terms, such as those defined in commonly used dictionaries, are to be interpreted as having a meaning that is consistent with their meaning in the context of the relevant field of science and technology, and should not be interpreted in an idealized or overly formal sense, unless it is not expressly defined in this document.
Ссылка во всем этом описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены по крайней мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» в различных местах данного описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления, хотя это возможно. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом, как будет очевидно специалисту в данной области техники из этого раскрытия, в одном или нескольких вариантах осуществления. Прежде всего, обратитесь к фигуре 1, которая представляет собой блок-схему, показывающую пример этапов способа подавления теплового убегания литиевых батарей в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фигуре, первым шагом S1 является «обеспечение литиевой батареи, содержащей в себе электрохимическую реакционную систему». Литиевая батарея способна заряжаться и разряжаться. Это означает, что литиевая батарея может иметь активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития. Затем этап S2 представляет собой «применение дополнительных ионов металла (А) и дополнительных ионов амфотерного металла (В) к литиевой батарее, когда температура литиевой батареи достигает заданного значения». Ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) будут вступать в химические реакции с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития и активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития, чтобы перевести активное вещество положительного электрода и активное вещество отрицательного электрода электрохимической реакционной системы в пассивированное состояние с более низким уровнем энергии по сравнению с исходными состояниями. Таким образом, протекание электрохимической реакции блокируется, что позволяет эффективно избежать теплового убегания батареи. Ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетания. Заданная температура составляет 70-130°С. Кроме того, упомянутое выше слово «дополнительные ионы» означает, что литиевая батарея уже имеет необходимые материалы для выполнения зарядки и разрядки, а ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) дополнительно добавляются в литиевую батарею или в эти материалы.Reference throughout this specification to "one embodiment" or "an embodiment" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with an embodiment is included in at least one embodiment of the present invention. Thus, the appearance of the phrases "in one embodiment" or "in an embodiment" in various places in this specification does not necessarily refer to the same embodiment, although it is possible. In addition, specific features, structures, or characteristics may be combined in any suitable manner, as will be apparent to one skilled in the art from this disclosure, in one or more embodiments. First of all, refer to Figure 1, which is a flowchart showing an example of the steps of a method for suppressing thermal runaway of lithium batteries according to the present invention. As shown in the figure, the first step S1 is "providing a lithium battery containing an electrochemical reaction system". The lithium battery can be charged and discharged. This means that a lithium battery can have a positive electrode active substance with lithium ion release and a negative electrode active substance with lithium ion introduction. Then, step S2 is "applying additional metal ions (A) and additional amphoteric metal ions (B) to the lithium battery when the temperature of the lithium battery reaches a predetermined value." Metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) will chemically react with the active substance of the positive electrode to release lithium ions and the active substance of the negative electrode to introduce lithium ions, so as to transfer the active substance of the positive electrode and the active substance of the negative electrode of the electrochemical reaction system into a passivated state with a lower energy level compared to the initial states. Thus, the flow of the electrochemical reaction is blocked, which can effectively avoid the thermal runaway of the battery. The metal ions (A) are selected from alkali metal ions other than lithium, alkaline earth metal ions, or combinations thereof. The set temperature is 70-130°C. In addition, the word "additional ions" mentioned above means that the lithium battery already has the necessary materials to perform charging and discharging, and metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) are additionally added to the lithium battery or these materials.
Когда ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, предпочтительно выбирать их из ионов натрия, ионов калия или их сочетания. Когда ионы металла (А) выбираются из ионов щелочноземельных металлов, предпочтительно выбирать их из ионов бериллия, ионов магния или ионов кальция. Ионы амфотерных металлов (В) представляет собой ионы алюминия или ионы цинка. Вышеупомянутая электрохимическая реакционная система включает в себя слой активного вещества положительного электрода, слой активного вещества отрицательного электрода, сепаратор, расположенный между слоем активного вещества положительного электрода и слоем активного вещества отрицательного электрода, а также систему электролита, заполненную электрохимической реакционной системой. Система электролита может быть жидкой, твердой или их сочетанием.When the metal ions (A) are selected from alkali metal ions other than lithium, it is preferable to select them from sodium ions, potassium ions, or a combination thereof. When the metal ions (A) are selected from alkaline earth metal ions, it is preferable to select them from beryllium ions, magnesium ions or calcium ions. Amphoteric metal ions (B) are aluminum ions or zinc ions. The above electrochemical reaction system includes a positive electrode active substance layer, a negative electrode active substance layer, a separator located between the positive electrode active substance layer and the negative electrode active substance layer, and an electrolyte system filled with an electrochemical reaction system. The electrolyte system may be liquid, solid, or a combination thereof.
После того, как ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) вводятся в электрохимическую реакционную систему литиевой батареи, для активного вещества положительного электрода, ионы металла (А) будут получать электроны от активного вещества положительного электрода и осаждаться на поверхность активного вещества положительного электрода, а затем мигрировать, чтобы захватывать избыточную часть выделяемых ионов лития. Активное вещество положительного электрода посредством выделения ионов лития переводится из исходного состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние пассивации с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Кроме того, его структура нестабильна и легко выделяет кислород в различном виде (О2, O2 -, О-) из-за потери атомов лития в исходном состоянии активного вещества положительного электрода. Атомы металла, такого как натрий, образованные ионами металла (А) с электронами, будут приводиться в движение тепловой энергией, чтобы заполнить пространство, освобождаемое выделяемыми ионами лития, то есть будет происходить интеркаляция, и перестраивать пространственную решетку таким образом, чтобы сформировать новое стабильное состояние, при этом расходуется тепловая энергия. Кроме того, когда атомы металла, образованные ионами металла (А), такого как натрий, заполняют освобождаемое выделяемыми ионами лития пространство, эта новая структура, имеющая стабильное состояние, будет демонстрировать некоторые характеристики натрия, из-за содержания в ней натрия, например, повышенную адсорбцию влаги. Это повысит изолирующие свойства электродов и приведет к снижению производительности. Аналогичным образом, для активного вещества отрицательного электрода, ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) будут реагировать с активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития. Активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития переводится из исходного состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние пассивации с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Следовательно, это изобретение позволяет достичь пассивации активных веществ положительного и отрицательного электродов, применяя дополнительные ионы металла (А) и дополнительные ионы амфотерного металла (В), чтобы заблокировать протекание электрохимической реакции, с целью эффективного избегания теплового убегания батареи.After the metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) are introduced into the electrochemical reaction system of the lithium battery, for the active substance of the positive electrode, the metal ions (A) will receive electrons from the active substance of the positive electrode and deposited on the surface of the active substance of the positive electrode. electrode, and then migrate to capture the excess part of the released lithium ions. The active substance of the positive electrode is transferred from the initial state with a higher electrical potential and higher energy to a passivation state with a lower electrical potential and lower energy by releasing lithium ions. In addition, its structure is unstable and easily releases oxygen in various forms (O 2 , O 2 - , O - ) due to the loss of lithium atoms in the initial state of the active substance of the positive electrode. Metal atoms such as sodium, formed by metal ions (A) with electrons, will be driven by thermal energy to fill the space vacated by the emitted lithium ions, that is, intercalation will occur, and rearrange the spatial lattice in such a way as to form a new stable state , which consumes thermal energy. In addition, when metal atoms formed by metal (A) ions such as sodium fill the space vacated by the emitted lithium ions, this new structure having a stable state will exhibit some of the characteristics of sodium due to its sodium content, such as increased moisture adsorption. This will increase the insulating properties of the electrodes and result in reduced performance. Similarly, for the negative electrode active material, metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) will react with the negative electrode active material to introduce lithium ions. The active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions is transferred from the initial state with a lower electrical potential and higher energy to a passivation state with a higher electrical potential and lower energy. Therefore, this invention achieves passivation of active substances of the positive and negative electrodes by using additional metal ions (A) and additional amphoteric metal ions (B) to block the electrochemical reaction in order to effectively avoid battery thermal runaway.
Что касается этапа S2 применения дополнительных ионов металла (А) и дополнительных ионов амфотерного металла (В) к литиевой батарее, то он имеет следующие типы: 1) ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) подаются снаружи литиевой батареи в электрохимическую реакционную систему; и 2) ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) подаются изнутри литиевой батареи в электрохимическую реакционную систему.As for the step S2 of applying additional metal ions (A) and additional amphoteric metal ions (B) to the lithium battery, it has the following types: 1) metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) are supplied from outside the lithium battery to the electrochemical reaction system; and 2) metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) are supplied from inside the lithium battery to the electrochemical reaction system.
В отношении упомянутого выше способа подачи ионов металла (А) и ионов амфотерного металла (В) снаружи литиевой батареи в электрохимическую реакционную систему, можно использовать такие каналы подачи ионов, как клапан сброса давления, выполненный непосредственно на корпусе литиевой батареи, отверстия, возникающие при вспухании литиевой батареи, или же прорывы, вызываемые проколом. Кроме того, каналы могут быть сформированы специально с целью подачи ионов металла (А) и ионов амфотерного металла (В) снаружи литиевой батареи в электрохимическую реакционную систему. Следующее описание иллюстрирует пример такого формирования. Пожалуйста, обратитесь к фигуре 2 и фигуре 3А, этап S12 это «обеспечение литиевой батареи 20, включающей в себя электрохимическую реакционную систему, а также множество сквозных отверстий 203, сформированных на токосъемном слое 202 литиевой батареи 20, и поставщик ионов 10, обеспечивающий подачу ионов металла (А) и ионов амфотерных металлов (В), располагаемый на сквозных отверстиях 203». Литиевая батарея 20 имеет множество сквозных отверстий 203, сформированных на токосъемном слое 202. Одни концы сквозных отверстий 203 выходят наружу литиевой батареи 20, а другие концы соединены с электрохимической реакционной системой, т.е. со слоями активного вещества 208, 210 и сепаратором 212. Поставщик ионов 10 расположен на внешней поверхности литиевой батареи 20 и закрывает сквозные отверстия 203. При таком строении, поскольку поставщик ионов 10 расположен снаружи литиевой батареи 20, это не повлияет на эффективность или состав электрохимической реакционной системы литиевой батареи 20. Диаметр сквозных отверстий составляет от 5 до 250 микрометров. Затем, когда температура литиевой батареи 20 достигает заданного значения, поставщик ионов 10 подает ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) в электрохимическую реакционную систему через сквозные отверстия 203 (этап S22).With regard to the above-mentioned method of supplying metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) from outside the lithium battery to the electrochemical reaction system, ion supply channels such as a pressure relief valve provided directly on the lithium battery case, swelling holes lithium battery, or bursts caused by a puncture. In addition, channels can be formed specifically for the purpose of supplying metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) from outside the lithium battery to the electrochemical reaction system. The following description illustrates an example of such formation. Please refer to Figure 2 and Figure 3A, step S12 is "providing a
Кроме того, для описанного выше процесса, когда активное вещество положительного электрода переводится из состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией, подробное описание приводится ниже. Активное вещество положительного электрода находится в состоянии выделения ионов лития, а его электрический потенциал более высок. Кроме того, из-за нестабильности кристаллической решетки она легко разрушается и имеет более высокую способность выделять кислород и большие объемы тепловой энергии. Следовательно, как определено выше, активное вещество положительного электрода находится в состоянии с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией, что может вызвать тепловое убегание. Когда ионы металла (А) заполняют позиции, откуда выделились ионы лития, т.е. происходит интеркаляция, электрический потенциал активного вещества положительного электрода снижается, и кристаллическая решетка активного вещества положительного электрода становится относительно стабильной. Кроме того, стабильность кристаллической решетки активного вещества положительного электрода повышается, а способность выделять кислород снижается, как и способность резко выделять тепловую энергию. Следовательно, как определено выше, активное вещество положительного электрода находится в состоянии пассивации после реакции с ионами металла (А), что определяет его кристаллическое состояние с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией.In addition, for the above-described process, when the positive electrode active substance is transferred from a higher electric potential and higher energy state to a lower electric potential and lower energy state, a detailed description will be given below. The active substance of the positive electrode is in the state of releasing lithium ions, and its electrical potential is higher. In addition, due to the instability of the crystal lattice, it is easily destroyed and has a higher ability to release oxygen and large amounts of thermal energy. Therefore, as defined above, the positive electrode active substance is in a state of higher electric potential and higher energy, which can cause thermal runaway. When metal ions (A) fill the positions from which lithium ions were released, i.e. intercalation occurs, the electric potential of the positive electrode active substance decreases, and the crystal lattice of the positive electrode active substance becomes relatively stable. In addition, the crystal lattice stability of the positive electrode active substance is increased, and the oxygen releasing capability is reduced, as is the thermal energy releasing capability. Therefore, as defined above, the positive electrode active substance is in a state of passivation after reaction with metal ions (A), which determines its crystalline state with a lower electrical potential and lower energy.
Для описанного выше процесса, когда активное вещество отрицательного электрода переводится из состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией, которое может стать причиной теплового убегания, в состояние с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией, подробное описание приводится ниже. Активное вещество отрицательного электрода находится в состоянии с введением ионов лития, и его электрический потенциал ниже. Кроме того, поскольку активное вещество отрицательного электрода поглощает кислород, высвобождаемый из активного вещества положительного электрода, активное вещество отрицательного электрода склонно к интенсивному горению и высвобождению тепловой энергии. Следовательно, активное вещество отрицательного электрода нестабильно и имеет более высокую способность выделять тепловую энергию. Соответственно, как определено выше, активное вещество отрицательного электрода находится в состоянии с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией. Когда ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) взаимодействуют с активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития, ионы лития извлекаются и образуют полимерное соединение с основным компонентом активного вещества отрицательного электрода, таким как кремний-углерод. Наряду с уменьшением способности активного вещества положительного электрода выделять кислород, способность активного вещества отрицательного электрода бурно выделять тепловую энергию также снижается. Следовательно, как определено выше, активное вещество отрицательного электрода после взаимодействия с ионами металла (А) и ионами амфотерного металла (В) находится в состоянии пассивации, которое определяется как состояние полимерного соединения с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Поставщиком ионов 10 может быть соединение, способное обеспечивать подачу ионов металла (А), и соединение, способное обеспечивать подачу ионов амфотерного металла (В). Например, соединение, способное предоставлять ионы металла (А), может представлять собой NaOH, KOH, NaCl, NaNO3, KNO3 или другое подобное. Соединение, способное предоставлять ионы амфотерных металлов (В), может представлять собой AlCl3, AlBr3, AlI3, Al(NO3)3, AlClO4, AlF3, AlH3, Zn(OH)2 или другое подобное. Также поставщик ионов 10 может быть соединением, способным обеспечивать подачу как ионов металла (А), так и ионов амфотерного металла (В), такое как NaAl(OH)4 или другое подобное.For the process described above, when the negative electrode active material is changed from a state of lower electrical potential and higher energy, which may cause thermal runaway, to a state of higher electrical potential and lower energy, a detailed description will be given below. The active substance of the negative electrode is in a state of introducing lithium ions, and its electrical potential is lower. In addition, since the negative electrode active substance absorbs oxygen released from the positive electrode active substance, the negative electrode active substance is prone to intense combustion and release of heat energy. Therefore, the active substance of the negative electrode is unstable and has a higher thermal energy release capability. Accordingly, as defined above, the negative electrode active substance is in a state of lower electric potential and higher energy. When metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) interact with the negative electrode active substance to introduce lithium ions, lithium ions are extracted and form a polymer compound with the main component of the negative electrode active substance such as silicon-carbon. Along with the decrease in the ability of the active substance of the positive electrode to release oxygen, the ability of the active substance of the negative electrode to vigorously generate heat energy is also reduced. Therefore, as defined above, the active substance of the negative electrode, after interaction with metal ions (A) and amphoteric metal ions (B), is in a passivation state, which is defined as a state of a polymer compound with a higher electrical potential and lower energy. The
Литиевая батарея 20 в соответствии с этим вариантом осуществления включает в себя первый токосъемный слой 202, второй токосъемный слой 204, клеевой каркас 206, электрохимическую реакционную систему, сепаратор 212 и систему электролита. Клеевой каркас 206 расположен между первым токосъемным слоем 202 и вторым токосъемным слоем 204. Один конец клеевого каркаса 206 приклеен к первому токосъемному слою 202, а другой конец клеевого каркаса 206 приклеен ко второму токосъемному слою 204. Первый токосъемный слой 202, второй токосъемный слой 204 и клеевой каркас 206 образуют замкнутое пространство (сквозные отверстия 203 здесь не рассматриваются). Электрохимическая реакционная система, расположенная в замкнутом пространстве, включает в себя первый слой активного вещества 208, примыкающий к первому токосъемному слою 202, и второй слой активного вещества 210, примыкающий ко второму токосъемному слою 204. Первый слой активного вещества 208 и второй слой активного вещества 210 представляют собой, соответственно, активные вещества положительного и отрицательного электродов. Сепаратор 212 расположен между первым слоем активного вещества 208 и вторым слоем активного вещества 210 и имеет характеристики ионной проводимости и электроизоляционные свойства. Система электролита расположена в замкнутом пространстве и пропитывает или смешана с первым слоем активного вещества 208 и вторым слоем активного вещества 210, и используется для переноса ионов. Кроме того, первый слой активного вещества 208 и второй слой активного вещества 210 могут дополнительно включать в себя электропроводящие материалы и адгезивные материалы. Поскольку эти части не являются техническими особенностями данного изобретения, подробное описание здесь не приводится.The
Также, материал сепаратора 212 может быть выбран из различных типов материалов, используемых в аккумуляторной промышленности. Например, сепаратор 212 может состоять из твердого электролита или электроизоляционного слоя с отверстиями, сформированного из полимерного материала, с покрытием из керамических порошков на его поверхности. Кроме того, сепаратор 212 также может быть сформирован путем укладки только керамических порошков с использованием связующего вещества. Керамические порошки могут не обладать ионной проводимостью или же могут иметь ионную проводимость. Сквозные отверстия 203 проходят через первый токосъемный слой 202 для соединения его верхней и нижней поверхностей. Следовательно, один конец сквозных отверстий 203 открыт во внешнюю среду литиевой батареи 20, а другой конец соединен с электрохимической реакционной системой литиевой батареи 20. Первый токосъемный слой 202 может быть положительным токосъемным слоем или отрицательным токосъемным слоем. Полярность первого токосъемного слоя 202 отличается от полярности второго токосъемного слоя 204. Например, когда первый токосъемный слой 202 является положительным токосъемным слоем, второй токосъемный слой 204 является отрицательным токосъемным слоем. Первый токосъемный слой 202, второй токосъемный слой 204 и клеевой каркас 206 используются в качестве упаковочного компонента батареи. Иными словами, если не учитываются сквозные отверстия 203, электрохимическая реакционная система литиевой батареи 20 защищена от внешней среды этим упаковочным компонентом.Also, the material of the
Клеевой каркас 206 изготавливается из полимерного материала без особых требований к нему, если он способен приклеиваться к поверхностям первого и второго токосъемных слоев 202, 204 и быть достаточно прочным для системы электролита. Однако предпочтительным является использование термореактивной смолы, например, силикона. Активное вещество отрицательного электрода может быть углеродным материалом, материалом на основе кремния или их сочетанием. Примеры углеродных материалов включают графитированные углеродные материалы и аморфные углеродные материалы, такие как природный графит, модифицированный графит, частицы графитированного мезофазного углерода, мягкие углеродные материалы, такие как кокс, и некоторые твердые углероды. Материалы на основе кремния включают кремний, оксиды кремния, кремний-углеродные композитные материалы и кремниевые сплавы.The
Способ формирования сквозных отверстий 203 в токосъемном слое 202 может заключаться в их непосредственной пробивке и предварительном формовании в токосъемном слое 202. Кроме того, чтобы предотвратить взаимодействие поставщика ионов 10, являющегося источником ионов металла (А) и ионов амфотерного металла (В), с электрохимической реакционной системой, через заранее сформированные сквозные отверстия 203, например, утечку электролита в поставщик ионов 10, или проникновение поставщика ионов 10 внутрь электрохимической реакционной системы, поверх сквозных отверстий 203 расположен удаляемый затворный слой 205 для временного закрытия отверстий, как показано на фигуре 3В. При разрушении затворного слоя 205 сквозные отверстия 203 открываются. Например, затворный слой 205 может быть изготовлен из материалов, которые могут быть разрушены травлением, а материалы для травления затворного слоя 205 могут содержаться в поставщике 10 ионов металла (А) и ионов амфотерного металла (В), или же применяться дополнительно. Затворный слой 205 также может быть изготовлен из термочувствительного материала, который может плавиться при нагреве, выступающем в качестве разрушающего механизма, или затворный слой 205 может быть изготовлен из деполимеризуемого материала, а материал, вызывающий деполимеризацию, может содержаться в поставщике 10 ионов металла (А) и ионов амфотерного металла (В) или же применяться дополнительно.The method of forming the through
Другой способ формирования сквозных отверстий 203 в токосъемном слое 202 травление, например, поставщик 10 ионов металла (А) и ионов амфотерного металла (В) может иметь способность к травлению, и способность к травлению будет активироваться высокой температурой. Например, внешняя поверхность поставщика ионов 10 может быть покрыта защитным слоем 12, состоящим из термочувствительного материала, разлагающегося при перегреве. Как показано на фигуре 4, когда температура приближается к заданному значению, защитный слой 12 будет разлагаться, открывая/высвобождая поставщик ионов 10, и заставляя поставщик ионов 10 проявлять способность к травлению внешнего компонента (токосъемного слоя 202). С другой стороны, поставщик ионов 10 может иметь разлагаемый состав, активируемый высокой температурой, как, например, высвобождающие воду материалы. При высоких температурах высвобождающие воду материалы эндотермически разлагаются с выделением воды, чтобы отрегулировать концентрацию или характеристики ионов поставщика ионов 10, активируя его способность к травлению.Another method of forming the through
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 5, которая используется для иллюстрации того, каким образом ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) подаются внутрь литиевой батареи и поступают в электрохимическую реакционную систему. Как показано на фигуре, литиевая батарея 20 дополнительно включает в себя поставщик ионов 10, обеспечивающий ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В), и расположенный внутри литиевой батареи 20, при этом поверхность поставщика ионов 10 включает удаляемый защитный механизм (этап S14). Например, защитный слой может быть нанесен на поверхность поставщика ионов 10 пленочного типа, или поставщик ионов 10 может быть разделен на части в оболочке, чтобы избежать неправильного взаимодействия между электрохимической реакционной системой и поставщиком ионов 10. Затем, на этапе S24, когда температура литиевой батареи 20 достигает заданного значения, удаляемый защитный слой разрушается, и поставщик ионов 10 подает ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) в электрохимическую реакционную систему. Далее, ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) реагируют с активным веществом положительного и отрицательного электродов, вызывая их пассивацию. В отношении механизма защиты, например, поставщик ионов 10, обеспечивающий ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В), может быть покрыт вышеупомянутым защитным слоем 12 и размещен в упаковочном корпусе 32 литиевой батареи 30. Как показано на фигуре 6, поставщик ионов 10 не располагается в слоях активного вещества или в сепараторе электрохимической реакционной системы.Please refer to Figure 5 which is used to illustrate how metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) are fed into the interior of a lithium battery and enter the electrochemical reaction system. As shown in the figure, the
Поставщик ионов 10 содержится в оболочке 14 и смешивается со слоем активного вещества 33 электрохимической реакционной системы, как показано на фигуре 7А, или наносится на поверхность сепаратора 35, как показано на фигуре 7В. Кроме того, поверхность сепаратора 35 может быть также покрыта армирующим материалом, например, керамическим порошком 36, как показано на фигуре 7С, или, в случае отсутствия подложки, оболочки, наполненные поставщиком ионов 10, могут быть смешаны с керамическим порошком 36 сепаратора 35, как показано на фигуре 7D. Эти керамические порошки 36 могут обладать ионной проводимостью или не обладать ею. Кроме того, оболочки 14 могут быть смешаны с электролитом (жидким или твердым). В этом варианте осуществления оболочка 14 используется в качестве механизма защиты поставщика ионов 10, чтобы предотвратить реакцию поставщика ионов 10 с компонентами электрохимической реакционной системы, когда заданная температура не достигнута. Этот способ может быть применен к конструкции литиевой батареи с клеевым каркасом и токосъемным слоем, служащими в качестве упаковочной конструкции, а также может быть применен к литиевой батарее, которая не использует токосъемный слой и клеевой каркас в качестве упаковочной конструкции, когда, например, используется металлический кожух, как показано на фигуре 6, или же литиевые батареи упакованы в алюминиево-пластиковую пленку.The
Термочувствительный разлагающийся материал защитного слоя 12 выбирается из парафинового масла, микрокристаллического воска, полиэтиленового воска, полиэтилена низкой плотности, поли(транс-1,4-бутадиена), политетраметиленоксида, изотактического полиметилметакрилата, полиэтиленоксида, полиэтиленадипата, изотактического поли(1-бутена), полиэтилена. Кроме того, термочувствительный разлагающийся материал может быть смешан с минеральным маслом для снижения температуры размягчения. Материал оболочки 14 определяется содержащимся в ней соединением. Например, когда разлагаемый состав, который разлагается под воздействием высокой температуры поставщика ионов 10, выбирается из высвобождающих воду материалов, материал оболочки 14 выбирается из материалов, легко растворяемых в полярных растворах, таких как вода, желатин, гуммиарабик, хитозан, казеинат натрия, крахмал, лактоза, мальтодекстрин, поли-L-лизин/альгинат, полиэтиленимин/альгинат, альгинат кальция, поливиниловый спирт. Когда материалом оболочки 14 является термочувствительный разлагающийся материал, он выбирается из этилцеллюлозы, полиэтилена, полиметакрилата, нитроцеллюлозы, силиконов, парафина, карнаубского воска, стеариновой кислоты, жирных спиртов, стеарилового спирта, жирных кислот, углеводородной смолы, моноацилглицерола, диацилглицерина и триацилглицерина. Когда поставщик ионов 10 выбирается из материалов, которые проявляют способность к травлению при определенной температуре, материал оболочки 14 выбирается из травимых материалов. Однако эти описания являются лишь примерами. Специалисты в данной области техники поймут, что в конкретные варианты осуществления могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения. Продолжая, необходимо убедиться, что способ в соответствии с настоящим изобретением может воздействовать на активные вещества положительного и отрицательного электродов и изменять структуру активных веществ положительного и отрицательного электродов для подавления теплового убегания. В этом эксперименте активным веществом положительного электрода является NMC811, а активным веществом отрицательного электрода кремний-углерод. Ионы металла (А) представляют собой ионы натрия или калия, а ионы амфотерного металла (В) представляют собой ионы алюминия.The temperature sensitive degradable material of the
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 8, которая представляет собой рентгеновскую дифрактограмму, на которой концентрации 30% NaOH, 30% NaAl(OH)4, 30% NaCl, 10% LiOH, and 30% KOH реагируют с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития. Из фигуры видно, что после того, как NMC811 с выделением ионов лития прореагирует с ионами натрия или калия, характеристический пик (указанный стрелками) NMC811 больше не существует, а структура решетки изменилась из-за введения ионов натрия или калия. Это может быть связано с тем, что ионы натрия/калия, имеющие более крупный размер, больший вес и более высокую потенциальную энергию, поглощают электроны на поверхности активного вещества положительного электрода с образованием атомов натрия/калия. И за счет поглощения тепловой энергии они будут перемещаться на места выделяемых ионов лития, т.е. будет происходить интеркаляция, формируя более стабильную структуру с более стабильной и низкой энергией.Please refer to Figure 8 which is an X-ray diffraction pattern in which concentrations of 30% NaOH, 30% NaAl(OH) 4 , 30% NaCl, 10% LiOH, and 30% KOH react with the positive electrode active material to release lithium ions . It can be seen from the figure that after NMC811 reacts with sodium or potassium ions to release lithium ions, the characteristic peak (indicated by arrows) of NMC811 no longer exists, and the lattice structure has changed due to the introduction of sodium or potassium ions. This may be because sodium/potassium ions, which have a larger size, higher weight and higher potential energy, absorb electrons on the surface of the active substance of the positive electrode to form sodium/potassium atoms. And due to the absorption of thermal energy, they will move to the places of the released lithium ions, i.e. intercalation will occur, forming a more stable structure with more stable and lower energy.
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 9, которая представляет собой рентгеновскую дифрактограмму до и после того, как активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития подвергается воздействию ионов натрия/калия и ионов алюминия. Очевидно, что характерные пики, представляющие сплавы лития и кремния, полностью исчезли. Это означает, что сплавы лития и кремния превратились в полимерные соединения с более низкой энергией.Please refer to Figure 9, which is an X-ray diffraction pattern before and after the active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions is exposed to sodium/potassium ions and aluminum ions. Obviously, the characteristic peaks representing alloys of lithium and silicon have completely disappeared. This means that lithium and silicon alloys have evolved into lower energy polymer compounds.
Обратитесь к фигурам 10 и 11. Фигура 10 показывает кривую напряжения и температуры для испытания на тепловое убегание обычного элемента литиевой батареи. Фигура 11 показывает кривую напряжения и температуры для элемента литиевой батареи с подавлением теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фигурах, при возникновении теплового убегания, выделяющего тепло, напряжение обычного литиевого аккумуляторного элемента начинает падать после того, как температура достигает примерно 500°С. Однако для элемента литиевой батареи с подавлением теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением напряжение начинает падать после того, как температура достигает около 100°С, блокируя протекание электрохимической реакции, чтобы эффективно избежать теплового убегания. Фигуры 12А-12С представляют собой изображения результатов капания различных растворов, выбранных из, соответственно, чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq) на катод батареи, заряженной на 100%. На фигуре 12А видно, что катод не вступает в реакцию с чистой водой. На фигурах 12В и 12С видно, что NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq) образуют на поверхности катода капли в гидрофобном состоянии, и в каплях присутствует множество крошечных пузырьков.Refer to Figures 10 and 11. Figure 10 shows a voltage and temperature curve for a thermal runaway test of a conventional lithium battery cell. Figure 11 shows a voltage and temperature curve for a lithium battery cell with thermal runaway suppression in accordance with the present invention. As shown in the figures, when a heat-generating thermal runaway occurs, the voltage of a conventional lithium battery cell starts to drop after the temperature reaches about 500°C. However, for the thermal runaway suppressing lithium battery cell according to the present invention, the voltage starts to drop after the temperature reaches about 100°C, blocking the electrochemical reaction from proceeding to effectively avoid thermal runaway. Figures 12A-12C are images of the results of dropping various solutions selected from respectively pure water, NaOH (aq) and NaAl(OH 4 ) (aq) onto the cathode of a 100% charged battery. Figure 12A shows that the cathode does not react with pure water. Figures 12B and 12C show that NaOH (aq) and NaAl(OH 4 ) (aq) form droplets in the hydrophobic state on the cathode surface and many tiny bubbles are present in the droplets.
Фигуры 13А-13С являются изображениями результатов капания различных растворов, выбранных из, соответственно, чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq), на анод батареи, заряженной на 100%. На фигуре 13А видно, что оставшийся в аноде литий вступает в интенсивную реакцию с чистой водой, что приводит к растрескиванию анода. На фигурах 13В и 13С можно видеть, что NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq) образуют на поверхности анода неорганический полимер с пузырьками, похожими на пену. Кроме того, часть неорганического полимера может быть зажата зажимом, как показано на фигуре 13D. Фигуры 14А и 14В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа катода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, при этом 30% гидроксид натрия капал на него в течение примерно 1 часа, для очистки поверхности использовались DMC (диметилкарбонат) и чистая вода, и затем он просушивался в течение 8 часов при 60°С. Как показано на фигурах, для катода батареи, заряженной на 40%, из-за более низкой степени выделения ионов лития, введение ионов натрия на место выделенных ионов лития в катоде не оказывает на него существенного влияния. Однако неровности топографии поверхности катода уже становятся значительными. Для катода батареи, заряженной на 100%, из-за более высокой степени выделения ионов лития, введение ионов натрия на место выделенных ионов лития в катоде уже оказывает на него существенное влияние. Смещение решетки и неровность топографии поверхности катода батареи, заряженной на 100%, также очень значительны. И можно заметить, что некоторые части поверхности даже имеют следы растрескивания.Figures 13A-13C are depictions of the results of dropping various solutions selected from pure water, respectively, NaOH (aq) and NaAl(OH 4 ) (aq) onto the anode of a 100% charged battery. Figure 13A shows that the lithium remaining in the anode reacts vigorously with pure water, resulting in cracking of the anode. In Figures 13B and 13C, it can be seen that NaOH (aq) and NaAl(OH 4 ) (aq) form an inorganic polymer with foam-like bubbles on the anode surface. In addition, a portion of the inorganic polymer may be clamped with a clamp as shown in Figure 13D. Figures 14A and 14B are scanning electron microscope images of a battery cathode charged at 40% and 100%, respectively, with 30% sodium hydroxide dripped on it for about 1 hour, DMC (dimethyl carbonate) and pure water were used to clean the surface. and then it was dried for 8 hours at 60°C. As shown in the figures, for the cathode of a 40% charged battery, due to the lower degree of lithium ion release, the introduction of sodium ions in place of the released lithium ions in the cathode does not significantly affect it. However, the irregularities of the topography of the cathode surface are already becoming significant. For a battery cathode charged at 100%, due to the higher degree of lithium ion release, the introduction of sodium ions in place of the released lithium ions in the cathode already has a significant effect on it. The grid shift and the topography roughness of the cathode surface of a 100% charged battery are also very significant. And you can see that some parts of the surface even have traces of cracking.
Фигуры 15А и 15В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа анода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, при этом 30% гидроксид натрия капал на него в течение примерно 1 часа, для очистки поверхности использовались DMC (диметилкарбонат) и чистая вода, и затем он просушивался в течение 8 часов при 60°С. Как показано на фигурах, гидроксид натрия превращает части анода батареи, заряженной на 40%, в неорганический полимер (геополимер), а также он имеет игольчатую структуру коллоидной кремнеземной кислоты. Для анода батареи, заряженной на 100%, игольчатая структура еще более очевидна.Figures 15A and 15B are scanning electron microscope images of a battery anode charged at 40% and 100%, respectively, with 30% sodium hydroxide dripped on it for about 1 hour, DMC (dimethyl carbonate) and pure water were used to clean the surface. and then it was dried for 8 hours at 60°C. As shown in the figures, sodium hydroxide converts the anode parts of a 40% charged battery into an inorganic polymer (geopolymer) and it also has an acicular structure of colloidal silica. For the anode of a 100% charged battery, the needle structure is even more obvious.
Кроме того, чтобы удостовериться в упомянутой выше более низкой энергии катода и анода, обратитесь к фигурам 16А и 16В, которые представляют собой термограммы с дифференциального сканирующего калориметра для катода и анода с использованием 20% NaAl(OH4)(aq). На фигуре 16А можно ясно видеть, что пик теплового потока катода при температуре около 210°С, очевидно, исчез, и пик теплового потока анода при температуре около 180°С, как видно на фигуре 16В, очевидно, также исчез. Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает способ подавления теплового убегания литиевых батарей. Когда температура литиевой батареи достигает заданного значения, ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) наносятся на активное вещество положительного электрода и активное вещество отрицательного электрода для проведения реакций. Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития переводятся в состояние пассивации с более низкой энергией. Протекание электрохимической реакции блокируется, чтобы эффективно избежать теплового убегания батареи. Ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетания. Более того, по сравнению с традиционными способами, способ подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением выполняется непосредственно на поверхности активных веществ, которые генерируют максимальную энергию, вызывающую тепловое убегание, и являются основными реагентами всей электрохимической реакции. Кроме того, ионы металла (А) будут приводиться в движение полученной тепловой энергией, заполняя или интеркалируя выделенные ионы лития, и перестраивая кристаллическую решетку таким образом, чтобы сформировать новое стабильное ее состояние, в то же время потребляя тепловую энергию. Ионы металла (А) и ионы амфотерного металла (В) будут вступать в реакцию с активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития, чтобы перевести его в состояние пассивации. Следовательно, как активное вещество положительного электрода, так и активное вещество отрицательного электрода в результате останутся в состоянии с более низкой энергией, повышая безопасность литиевых батарей.In addition, to verify the lower cathode and anode energies mentioned above, refer to Figures 16A and 16B, which are differential scanning calorimeter thermograms for cathode and anode using 20% NaAl(OH 4 ) (aq) . In Figure 16A, it can be clearly seen that the cathode heat flux peak at about 210°C has apparently disappeared, and the anode heat flux peak at about 180°C, as seen in Figure 16B, has also apparently disappeared. Accordingly, the present invention provides a method for suppressing thermal runaway in lithium batteries. When the temperature of the lithium battery reaches a predetermined value, metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) are applied to the positive electrode active substance and the negative electrode active substance to carry out reactions. The active substance of the positive electrode with the release of lithium ions and the active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions are transferred to a passivation state with a lower energy. The electrochemical reaction is blocked to effectively avoid thermal runaway of the battery. The metal ions (A) are selected from alkali metal ions other than lithium, alkaline earth metal ions, or combinations thereof. Moreover, compared with conventional methods, the method of suppressing thermal runaway according to the present invention is carried out directly on the surface of active substances, which generate the maximum energy causing thermal runaway and are the main reactants of the whole electrochemical reaction. In addition, metal ions (A) will be driven by the received thermal energy, filling or intercalating the separated lithium ions, and rearranging the crystal lattice in such a way as to form a new stable state of it, at the same time consuming thermal energy. Metal ions (A) and amphoteric metal ions (B) will react with the active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions to put it into a passivation state. Therefore, both the positive electrode active material and the negative electrode active material will remain in a lower energy state as a result, improving the safety of lithium batteries.
Из описанного таким образом изобретения будет очевидно, что оно может быть изменено многими способами. Такие изменения не следует рассматривать как отступление от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, которые будут очевидны специалисту в данной области техники, предназначены для включения в объем следующей патентной формулы изобретения.It will be apparent from the invention thus described that it can be modified in many ways. Such changes should not be considered as a departure from the essence and scope of the invention, and all such modifications, which will be obvious to a person skilled in the art, are intended to be included in the scope of the following patent claims.
Claims (20)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US63/058205 | 2020-07-29 | ||
| US63/087563 | 2020-10-05 | ||
| US17/372012 | 2021-07-09 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2773266C1 true RU2773266C1 (en) | 2022-06-01 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1731601A (en) * | 2005-06-15 | 2006-02-08 | 东莞新能源电子科技有限公司 | Method for improving secondary lithium ion battery cathode material safety performance |
| RU2460177C2 (en) * | 2007-03-07 | 2012-08-27 | Эл Джи Кем, Лтд. | Organic/inorganic composite separator and electrochemical device that contains it |
| US9711774B2 (en) * | 2014-12-03 | 2017-07-18 | Nano And Advanced Materials Institute Limited | Lithium ion battery with thermal sensitive layer |
| CN208336379U (en) * | 2017-12-29 | 2019-01-04 | 上海其鸿新材料科技有限公司 | A kind of lithium battery collector |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1731601A (en) * | 2005-06-15 | 2006-02-08 | 东莞新能源电子科技有限公司 | Method for improving secondary lithium ion battery cathode material safety performance |
| RU2460177C2 (en) * | 2007-03-07 | 2012-08-27 | Эл Джи Кем, Лтд. | Organic/inorganic composite separator and electrochemical device that contains it |
| US9711774B2 (en) * | 2014-12-03 | 2017-07-18 | Nano And Advanced Materials Institute Limited | Lithium ion battery with thermal sensitive layer |
| CN208336379U (en) * | 2017-12-29 | 2019-01-04 | 上海其鸿新材料科技有限公司 | A kind of lithium battery collector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102665734B1 (en) | Thermal runaway suppression element and the related applications | |
| KR20240058810A (en) | Thermal runaway suppressant of lithium batteries and the related applications | |
| RU2773266C1 (en) | Method for suppression of thermal escape of lithium batteries | |
| RU2775003C1 (en) | Lithium battery thermal escape suppressor and its corresponding application | |
| JP7399138B2 (en) | Method for suppressing thermal runaway of lithium batteries | |
| KR102672576B1 (en) | Method for suppressing thermal runaway of lithium batteries | |
| RU2772946C1 (en) | Thermal escape suppression element and its corresponding application | |
| KR20240095122A (en) | Method for suppressing thermal runaway of lithium batteries | |
| BR102021014809B1 (en) | THERMAL LEAKAGE SUPPRESSION ELEMENT AND RELATED APPLICATIONS |