RU2772946C1 - Thermal escape suppression element and its corresponding application - Google Patents
Thermal escape suppression element and its corresponding application Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772946C1 RU2772946C1 RU2021121947A RU2021121947A RU2772946C1 RU 2772946 C1 RU2772946 C1 RU 2772946C1 RU 2021121947 A RU2021121947 A RU 2021121947A RU 2021121947 A RU2021121947 A RU 2021121947A RU 2772946 C1 RU2772946 C1 RU 2772946C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- source
- ions
- thermal runaway
- suppression element
- polar solution
- Prior art date
Links
- 230000001629 suppression Effects 0.000 title claims abstract description 78
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 title abstract description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 84
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 62
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 61
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 55
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 42
- -1 aluminum ions Chemical class 0.000 claims abstract description 35
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 30
- 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 51
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 44
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 24
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 18
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 14
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 13
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 12
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 2
- 239000002195 soluble material Substances 0.000 claims description 2
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 69
- 229920000592 inorganic polymer Polymers 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 45
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 8
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 8
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium Ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 6
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Inorganic materials [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 5
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 5
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 5
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 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
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L cacl2 Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 4
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 3
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 3
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 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
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000876 geopolymer Polymers 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 3
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 3
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 3
- 229910018626 Al(OH) Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 2
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M Sodium polyacrylate Chemical compound [Na+].[O-]C(=O)C=C NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N Stearic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-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
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 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
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 229920001495 poly(sodium acrylate) polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920001888 polyacrylic acid Polymers 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 238000005381 potential energy Methods 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
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 1-butene Chemical compound CCC=C VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVDRUCCQKHGCRX-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydroxypropyl formate Chemical compound OCC(O)COC=O BVDRUCCQKHGCRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000215068 Acacia senegal Species 0.000 description 1
- 229910016467 AlCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910016569 AlF 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017090 AlO 2 Inorganic materials 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 compound 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
- 229920002907 Guar gum Polymers 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
- 241000005139 Lycium andersonii Species 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
- 229910019440 Mg(OH) Inorganic materials 0.000 description 1
- TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L MgCl2 Chemical compound [Mg+2].[Cl-].[Cl-] TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910020814 NaAl(OH)4 Inorganic materials 0.000 description 1
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M NaHCO3 Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000000020 Nitrocellulose Substances 0.000 description 1
- 239000005662 Paraffin oil Substances 0.000 description 1
- 229940068984 Polyvinyl Alcohol Drugs 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 229940037179 Potassium Ion Drugs 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 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
- 229940005550 Sodium alginate 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
- FJWGYAHXMCUOOM-QHOUIDNNSA-N [(2S,3R,4S,5R,6R)-2-[(2R,3R,4S,5R,6S)-4,5-dinitrooxy-2-(nitrooxymethyl)-6-[(2R,3R,4S,5R,6S)-4,5,6-trinitrooxy-2-(nitrooxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxan-3-yl]oxy-3,5-dinitrooxy-6-(nitrooxymethyl)oxan-4-yl] nitrate Chemical compound O([C@@H]1O[C@@H]([C@H]([C@H](O[N+]([O-])=O)[C@H]1O[N+]([O-])=O)O[C@H]1[C@@H]([C@@H](O[N+]([O-])=O)[C@H](O[N+]([O-])=O)[C@@H](CO[N+]([O-])=O)O1)O[N+]([O-])=O)CO[N+](=O)[O-])[C@@H]1[C@@H](CO[N+]([O-])=O)O[C@@H](O[N+]([O-])=O)[C@H](O[N+]([O-])=O)[C@H]1O[N+]([O-])=O FJWGYAHXMCUOOM-QHOUIDNNSA-N 0.000 description 1
- 235000010489 acacia gum Nutrition 0.000 description 1
- 239000000205 acacia gum Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating Effects 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 239000002194 amorphous carbon material 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
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 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
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 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
- 238000001704 evaporation Methods 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
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 1
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 1
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 1
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 1
- 239000000665 guar gum Substances 0.000 description 1
- 235000010417 guar gum Nutrition 0.000 description 1
- 229960002154 guar gum Drugs 0.000 description 1
- 229920000591 gum Polymers 0.000 description 1
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic Effects 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction 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
- 239000007791 liquid phase 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
- 235000021110 pickles Nutrition 0.000 description 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 1
- 229920000921 polyethylene adipate Polymers 0.000 description 1
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 235000019422 polyvinyl alcohol Nutrition 0.000 description 1
- 229920000131 polyvinylidene Polymers 0.000 description 1
- NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N potassium ion Chemical compound [K+] NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 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
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000001340 slower Effects 0.000 description 1
- MSXHSNHNTORCAW-UHFFFAOYSA-M sodium 3,4,5,6-tetrahydroxyoxane-2-carboxylate Chemical compound [Na+].OC1OC(C([O-])=O)C(O)C(O)C1O MSXHSNHNTORCAW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 1
- FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N sodium cation Chemical compound [Na+] FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000935 solvent evaporation Methods 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
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000006163 transport media Substances 0.000 description 1
- 229920003176 water-insoluble polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000001993 wax Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
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 Title 35, United States Code, claims priority to U.S. Provisional Application No. 63/058,205, filed July 29, 2020, and U.S. Provisional Application No. 63/087,563, filed October 5, 2020 ., the entire contents of which are hereby incorporated into this application for all purposes by reference.
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Настоящее изобретение относится к предохранительному устройству литиевых батарей, в частности, к элементу подавления теплового убегания, устанавливаемому в литиевых батареях, и его соответствующим применениям.The present invention relates to a lithium battery safety device, in particular to a thermal runaway suppression element installed in lithium batteries, and its related applications.
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.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.
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 средства подавления теплового убегания можно разделить на два типа: находящиеся снаружи аккумуляторного элемента и внутри него, в зависимости от выбранного расположения предохранительного устройства. 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 применяются 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.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. . The existing means of suppressing thermal runaway can be divided into two types: those located outside the battery cell and inside it, depending on the chosen location of the safety device. 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 on the outside of 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, обратитесь к патенту 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) с образованием изолирующего барьера на электродах, который блокирует перенос ионов лития между электродами и отключает внутренний ток батареи.For example, refer to US Pat. No. 9,711,774, a temperature sensitive layer may be placed 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 методы 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.However, the above methods are aimed only 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.
Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает элемент подавления теплового убегания литиевых батарей и его соответствующее применение путем уменьшения тепловой энергии, приводящей к тепловому убеганию активных веществ, для уменьшения или устранения вышеупомянутых проблем.Therefore, the present invention provides a lithium battery thermal runaway suppression element and its corresponding application by reducing the thermal energy resulting in the thermal runaway of active substances to reduce or eliminate the aforementioned problems.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей настоящего изобретения является создание совершенно нового элемента подавления теплового убегания литиевых батарей и его соответствующено применения, которое способно переводить активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития из исходного состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в кристаллическое состояние оксида металла с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией, а активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития - из исходного состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние неорганического полимера с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. В результате, протекание электрохимической реакции блокируется, предотвращая возникновение теплового убегания.It is an object of the present invention to provide a completely new thermal runaway suppression element for lithium batteries and its corresponding application, which is capable of converting the lithium ion releasing positive electrode active material from its original state of higher electric potential and higher energy to the metal oxide crystal state of lower electric potential and lower energy, and the active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions - from the initial state with a lower electrical potential and higher energy to the state of an inorganic polymer with a higher electrical potential and lower energy. As a result, the flow of the electrochemical reaction is blocked, preventing the occurrence of thermal runaway.
Кроме того, другой целью настоящего изобретения является создание совершенно нового элемента подавления теплового убегания и его соответствующих применений, который располагается снаружи литиевой батареи. Следовательно, он не повлияет на работу электрохимической реакционной системы литиевой батареи.In addition, another object of the present invention is to provide a completely new thermal runaway suppression element and its related applications, which is located on the outside of a lithium battery. Therefore, it will not affect the operation of the electrochemical reaction system of the lithium battery.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание совершенно нового элемента подавления теплового убегания и его соответствующих применений. Алюминиевый токосъемник протравливается, а ионы металла (А) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему литиевой батареи. Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития переводятся в состояние с более низкой энергией. Следовательно, напряжение всей батареи снижается, и протекание электрохимической реакции блокируется, чтобы предотвратить возникновение теплового убегания.Yet another object of the present invention is to provide an entirely new thermal runaway suppression element and its respective applications. The aluminum current collector is etched, and the metal ions (A) and aluminum ions generated during etching enter the electrochemical reaction system of the lithium battery. 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 lower energy state. Therefore, the voltage of the entire battery is reduced and the electrochemical reaction is blocked to prevent thermal runaway from occurring.
Для реализации описанного выше, в данном изобретении раскрывается элемент подавления теплового убегания литиевых батарей, который включает в себя источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора. Источник пассивирующей смеси способен высвобождать ионы металла (А), выбираемые из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетаний, а также ионы, вызывающие травление алюминия (В). Источник полярного раствора высвобождает полярный раствор, переносящий ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В) к алюминиевому токосъемнику литиевой батареи. Алюминиевый токосъемник насквозь протравливается вызывающими травление алюминия ионами (В), а ионы металла (А) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему литиевой батареи. Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития вступают в реакцию с ионами металла (А) и переходят в состояние с более низкой энергией. Вследствие этого, напряжение всей батареи снижается, и протекание электрохимической реакции блокируется, чтобы предотвратить возникновение теплового убегания.To implement the above, the present invention discloses a lithium battery thermal runaway suppression element that includes a passivation mixture source and a polar solution source. The source of the passivating mixture is capable of releasing metal ions (A) selected from alkali metal ions other than lithium, alkaline earth metal ions, or combinations thereof, and aluminum etching ions (B). The polar solution source releases the polar solution carrying metal ions (A) and aluminum etching ions (B) to the aluminum current collector of the lithium battery. The aluminum current collector is etched through with aluminum-etching ions (B), and metal ions (A) and aluminum ions generated during etching enter the electrochemical reaction system of the lithium battery. 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 react with metal ions (A) and enter a lower energy state. As a result, the voltage of the entire battery is reduced and the electrochemical reaction is blocked to prevent thermal runaway from occurring.
В данном изобретении также раскрыта конструкция батареи, способной подавлять тепловое убегание, которая включает литиевую батарею с алюминиевым токосъемником. Упомянутый выше элемент подавления теплового убегания расположен на внешней поверхности алюминиевого токосъемника.The present invention also discloses a battery structure capable of suppressing thermal runaway, which includes a lithium battery with an aluminum current collector. The above-mentioned thermal runaway suppression element is located on the outer surface of the aluminum current collector.
Дальнейший объем применимости настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приведенного ниже. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, показывающие предпочтительные варианты осуществления изобретения, даны только для 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 showing preferred embodiments of the invention are for 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 примера, и, таким образом, не являющегося ограничивающим для настоящего изобретения, в котором:The present invention will become better understood from the detailed description below, given by way of example only, and thus not limiting the present invention, in which:
Фигуры 1А-1С представляют собой принципиальные схемы вариантов осуществления элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.Figures 1A-1C are schematic diagrams of embodiments of a thermal runaway suppression element in accordance with the present invention.
Фигура 2 - принципиальная схема другого варианта осуществления элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.Figure 2 is a schematic diagram of another embodiment of a thermal runaway suppression element in accordance with the present invention.
Фигуры 3А-3С представляют собой принципиальные схемы вариантов осуществления слоистого элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.Figures 3A-3C are schematic diagrams of embodiments of a layered thermal runaway suppression element in accordance with the present invention.
Фигуры 4А-4Н принципиальные схемы вариантов осуществления применяемого для литиевых батарей элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.Figures 4A-4H are schematic diagrams of embodiments of a thermal runaway suppression element used for lithium batteries in accordance with the present invention.
Фигура 5А 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 5A 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 5В 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 5B 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 6А показывает кривую напряжения и температуры для испытания на тепловое убегание обычного элемента литиевой батареи.Figure 6A shows a voltage and temperature curve for a thermal runaway test of a conventional lithium battery cell.
Фигура 6В показывает кривую напряжения и температуры для элемента литиевой батареи с подавлением теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.Figure 6B shows a voltage and temperature curve for a lithium battery cell with thermal runaway suppression in accordance with the present invention.
Фигуры 7А-7С представляют собой изображения результатов капания различных растворов, выбранных соответственно, из чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH4) (aq), на катод батареи, заряженной на 100%.Figures 7A-7C are images of the results of dropping various solutions, respectively, from pure water, NaOH( aq ) and NaAl(OH 4 ) ( aq ), onto the cathode of a 100% charged battery.
Фигуры 8А-8С являются изображениями результатов капания различных растворов, выбранных соответственно из чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq), на анод батареи, заряженной на 100%.Figures 8A-8C are depictions of the results of dropping various solutions, respectively selected from pure water, NaOH( aq ) and NaAl(OH 4 )( aq ), onto the anode of a 100% charged battery.
Фигура 8D изображение фигуры 8С, на котором пена зажимается зажимным приспособлением.Figure 8D is a representation of Figure 8C showing the foam being clamped with a jig.
Фигуры 9А и 9В 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 9A and 9B 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 10А и 10В 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 10A and 10B are scanning electron microscope images of a battery anode charged at 40% and 100%, respectively, onto which a 30% aqueous sodium hydroxide solution has been dripped for about 1 hour.
Фигуры 11А и 11В термограммы с дифференциального сканирующего калориметра для катода и анода с использованием 20% NaAl(OH4)(aq).Figures 11A and 11B thermograms 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 патентной формулой изобретения. Любые ссылочные позиции в патентной формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение объема. 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 the patent claims. Any reference positions in the patent claims are not to be construed as limiting the scope. 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.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 a person skilled in the art from this disclosure, in one or more embodiments.
Прежде всего, настоящее изобретение относится к элементу подавления теплового убегания, который включает в себя источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора. Источник пассивирующей смеси способен выделять ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В). Источник полярного раствора высвобождает полярный раствор, переносящий ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В) к алюминиевому токосъемнику литиевой батареи для его травления. После того, как алюминиевый токосъемник, то есть положительный токосъемник, протравлен насквозь вызывающими травление алюминия ионами (В), ионы металла (А), остаток вызывающих травление алюминия ионов (В) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему литиевой батареи. Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития вступают с ними в реакцию, вызывающую переход в более низкое энергетическое состояние. Вследствие этого, протекание электрохимической реакции блокируется, предотвращая возникновение теплового убегания.First of all, the present invention relates to a thermal runaway suppression element which includes a passivating mixture source and a polar solution source. The source of the passivating mixture is capable of releasing metal ions (A) and aluminum etching ions (B). The polar solution source releases the polar solution carrying metal ions (A) and aluminum etching ions (B) to the aluminum current collector of the lithium battery for etching. After the aluminum current collector, i.e. the positive current collector, is etched through with the aluminum etching ions (B), the metal ions (A), the remainder of the aluminum etching ions (B) and the aluminum ions formed during etching, enter the electrochemical reaction system lithium battery. 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 react with them, causing a transition to a lower energy state. As a result, the flow of the electrochemical reaction is blocked, preventing the occurrence of thermal runaway.
Ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетаний. Когда ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, то их предпочтительно выбирать из ионов натрия, ионов калия или их сочетаний. Когда ионы металла (А) выбираются из ионов щелочноземельных металлов, то их предпочтительно выбирать из ионов бериллия, ионов магния или ионов кальция. Вызывающие травление алюминия ионы (В) выбираются из ионов щелочных материалов, таких как ионы гидроксидов, или кислотных материалов, таких как ионы нитратов. Кроме того, источник пассивирующей смеси может дополнительно содержать в себе ионы амфотерного металла (С), которые предпочтительно выбираются из ионов алюминия или ионов цинка. Источник пассивирующей смеси представляет собой раствор или безводный порошок. Вышеупомянутый «перенос» означает, что полярный раствор служит средой переноса для ионов металла (А) и вызывающих травление алюминия ионов (В).The metal ions (A) are selected from alkali metal ions other than lithium, alkaline earth metal ions, or combinations thereof. When the metal ions (A) are selected from alkali metal ions other than lithium, they are preferably selected from sodium ions, potassium ions, or combinations thereof. When the metal ions (A) are selected from alkaline earth metal ions, they are preferably selected from beryllium ions, magnesium ions or calcium ions. The aluminum etching ions (B) are selected from ions of alkaline materials such as hydroxide ions or acidic materials such as nitrate ions. In addition, the source of the passivating mixture may additionally contain amphoteric metal ions (C), which are preferably selected from aluminum ions or zinc ions. The source of the passivating mixture is a solution or anhydrous powder. The above "transfer" means that the polar solution serves as a transport medium for the metal ions (A) and aluminum etching ions (B).
Что касается активного вещества положительного электрода, то ионы металла (А) будут получать электроны от активного вещества положительного электрода с выделением ионов лития и их осаждением, а затем мигрировать далее, чтобы занять места, освобожденные выделенными ионами лития, т.е. будет происходить интеркаляция.As for the active substance of the positive electrode, the metal ions (A) will receive electrons from the active substance of the positive electrode with the release of lithium ions and their precipitation, and then migrate further to occupy the places vacated by the released lithium ions, i.e. intercalation will take place.
Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития переводится из исходного состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние реагента, т.е. в кристаллическое состояние оксида металла с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Кроме того, его структура нестабильна и легко выделяет кислород в различном виде (О2, О2 -, О-) из-за потери атомов лития в исходном состоянии активного вещества положительного электрода. Атомы металла, образованные ионами металла (А), такими как ионы натрия, и 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 ионы металла (А) с электронами заполняют активное вещество положительного электрода, характеристики ионов металла (А) будут оказывать воздействие. Например, если активное вещество положительного электрода заполняется натрием, эта новая стабильная структура будет приобретать некоторые характеристики натрия из-за наличия в ней натрия, такие как повышенная адсорбция влаги. Это повысит изолирующие свойства электродов и приведет к снижению производительности. Для активного вещества отрицательного электрода, ионы металла (А), ионы алюминия, образующиеся во время травления, а также дополнительно добавленные ионы амфотерного металла (С), будут вступать в реакцию 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 неорганического полимера с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Следовательно, с помощью данного изобретения можно добиться уменьшения разности электрических потенциалов активных веществ положительного и отрицательного электродов, а также уменьшения напряжения всей батареи путем применения дополнительных ионов металла (А), ионов алюминия и/или дополнительного добавления ионов амфотерного металла (С), чтобы заблокировать протекание электрохимической реакции и эффективно избежать теплового убегания батареи.The active substance of the positive electrode with the release of lithium ions is transferred from the initial state with a higher electric potential and higher energy to the state of the reactant, i.e. into a crystalline state of a metal oxide with a lower electrical potential and lower energy. 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 formed by metal (A) ions, such as sodium ions, and 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, while thermal energy is consumed. In addition, when the metal ions (A) with electrons fill the active substance of the positive electrode, the characteristics of the metal ions (A) will be affected. For example, if the active substance of the positive electrode is filled with sodium, this new stable structure will take on some of the characteristics of sodium due to the presence of sodium in it, such as increased moisture adsorption. This will increase the insulating properties of the electrodes and result in reduced performance. For the negative electrode active material, metal ions (A), aluminum ions generated during etching, and additionally added amphoteric metal ions (C) 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 the state of an inorganic polymer with a higher electrical potential and lower energy. Therefore, with the present invention, it is possible to achieve a reduction in the electrical potential difference between the active substances of the positive and negative electrodes, as well as a reduction in the voltage of the entire battery, by using additional metal ions (A), aluminum ions and / or additionally adding amphoteric metal ions (C) to block electrochemical reaction flow and effectively avoid battery thermal runaway.
Кроме того, для описанного выше процесса, когда активное вещество положительного электрода переводится из состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в кристаллическое 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. Когда ионы металла (А) заполняют вместе с электронами 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 process described above, when the positive electrode active substance is transferred from a higher electrical potential and higher energy state to a lower electrical potential and lower energy crystalline 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. When metal ions (A) fill, together with electrons, 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 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 получает 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), ионы алюминия или дополнительно добавленные ионы амфотерного металла (С), взаимодействуют с активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития, ионы лития захватываются и образуют полимерное соединение с основным компонентом активного вещества отрицательного электрода, таким как кремний-углерод. Вместе 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) ионами алюминия или дополнительно добавленными ионами амфотерного металла (С) находится в состоянии пассивации, которое определяется как состояние полимерного соединения с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. В этом состоянии активное вещество отрицательного электрода превращается в геополимер, который представляет собой зеленый цемент.For the process described above, when the negative electrode active substance is transferred from a state of lower electric potential and higher energy to a state of higher electric 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 receives 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), aluminum ions, or additionally added amphoteric metal ions (C), interact with the negative electrode active substance with the introduction of lithium ions, lithium ions are captured 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 positive electrode active substance to release oxygen, the ability of the negative electrode active substance to vigorously generate heat energy also decreases. Therefore, as defined above, the active substance of the negative electrode, after interaction with metal ions (A), aluminum ions or additionally added amphoteric metal ions (C), is in a passivation state, which is defined as a state of a polymer compound with a higher electric potential and lower energy. In this state, the active substance of the negative electrode is converted into a geopolymer, which is a green cement.
В этом варианте осуществления источник пассивирующей смеси включает в себя по крайней мере одно соединение, которое способно разлагаться и высвобождать ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В), такое как NaOH, KOH, NaNO3, KNO3 или другое подобное. Соединение, способное служить источником ионов амфотерного металла (С), может представлять собой AlCl3, AlBr3, AlI3, Al(NO3)3, AlCl4, AlF3, AlH3, Zn(OH)2 или другое подобное. Кроме того, источник пассивирующей смеси может быть соединением, способным одновременно служить источником как ионов металла (А), так и вызывающих травление алюминия ионов (В) и ионов амфотерного металла (С), таким как NaAl(OH)4 или другим подобным. Но это всего лишь примеры, не предназначенные для ограничения типа и количества соединений, используемых в настоящем изобретении. Кроме того, источник пассивирующей смеси может находиться в безводном состоянии или в состоянии раствора. В состоянии раствора, например, он имеет более высокую концентрацию, 80%-50%, с меньшей способностью к травлению и более высокой стабильностью. Соответственно, необходимо регулировать его концентрацию с помощью полярного раствора, чтобы он мог показывать способность к травлению алюминиевого токосъемника для образования сквозных отверстий. В случае, если источник пассивирующей смеси находится в безводном состоянии, полярный раствор может разлагать источник пассивирующей смеси, высвобождая ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В), или же дополнительные ионы амфотерного металла (С). Кроме того, концентрация вызывающих травление алюминия ионов (В), таких как ионы гидроксида, регулируется полярным раствором таким образом, чтобы они могли показывать способность к травлению алюминия, например 30%-20%.In this embodiment, the passivating mixture source includes at least one compound that is capable of decomposing and releasing metal ions (A) and aluminum etching ions (B) such as NaOH, KOH, NaNO 3 , KNO 3 or the like. A compound capable of serving as a source of amphoteric metal (C) ions may be AlCl 3 , AlBr 3 , AlI 3 , Al(NO 3 ) 3 , AlCl 4 , AlF 3 , AlH 3 , Zn(OH) 2 or the like. In addition, the source of the passivating mixture may be a compound capable of simultaneously serving as a source of both metal ions (A), aluminum etching ions (B) and amphoteric metal ions (C), such as NaAl(OH) 4 or the like. But these are just examples and are not intended to limit the type and number of compounds used in the present invention. In addition, the source of the passivating mixture may be in an anhydrous state or in a solution state. In the solution state, for example, it has a higher concentration, 80%-50%, with less etchability and higher stability. Accordingly, it is necessary to control its concentration with a polar solution so that it can show the etching ability of the aluminum current collector to form through holes. If the passivating mixture source is anhydrous, the polar solution can decompose the passivating mixture source, releasing metal ions (A) and aluminum etching ions (B), or additional amphoteric metal ions (C). In addition, the concentration of aluminum-etching ions (B), such as hydroxide ions, is controlled by the polar solution so that they can show aluminum-etching ability, for example, 30%-20%.
Источник полярного раствора это высвобождающее воду соединение, эндотермически разлагающееся с выделением жидкости или чистой воды. Полярный раствор используется для разложения источника пассивирующей смеси для высвобождения ионов металла (А) и вызывающих травление алюминия ионов (В), или же дополнительных ионов амфотерного металла (С), а также для регулирования концентрации вызывающих травление алюминия ионов (В) таким образом, чтобы они могли показывать способность к травлению алюминия. Кроме того, за счет текучести полярного раствора ионы металла (А), вызывающие травление алюминия ионы (В) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, переносятся полярным раствором и проникают внутрь электрохимической реакционной системы литиевой батареи.The source of a polar solution is a water-releasing compound that decomposes endothermically to release a liquid or pure water. The polar solution is used to decompose the passivating mixture source to release metal ions (A) and aluminum etching ions (B), or additional amphoteric metal ions (C), and to control the concentration of aluminum etching ions (B) so that they could show the ability to pickle aluminium. In addition, due to the fluidity of the polar solution, metal ions (A), aluminum etching ions (B), and aluminum ions generated during etching are carried by the polar solution and enter the inside of the electrochemical reaction system of the lithium battery.
Элемент подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением может дополнительно включать в себя изолирующее устройство, которое позволяет избежать возникновения нестабильности, вызванной прямым контактом различных веществ в составе источника пассивирующей смеси и источника полярного раствора. Изолирующее устройство может представлять собой защитный слой или оболочку без отверстий, или же полимерную пленку с отверстиями, под которыми может дополнительно находиться пленкообразующий реагент.The thermal runaway suppression member of the present invention may further include an isolation device that avoids the occurrence of instability caused by direct contact of various substances in the composition of the passivation mixture source and the polar solution source. The insulating device can be a protective layer or shell without holes, or a polymer film with holes, under which a film-forming agent can additionally be located.
Если изолирующее устройство представляет собой защитный слой или оболочку без отверстий, для примера возьмем защитный слой, то защитный слой состоит из термочувствительного разлагаемого материала или растворимого материала, который растворяется в полярном растворе. Температура разложения термочувствительного разлагаемого материала составляет 70-130°С. Как защитный слой, так и оболочка используются для отделения источника пассивирующей смеси и источника полярного раствора друг от друга, но применяются они различными способами. Защитный слой используется для изоляции материала пленочного типа путем нанесения защитного слоя на внешнюю поверхность однослойного или многослойного материала пленочного типа. Оболочка используется для того, чтобы отделить друг от друга порошок или жидкое вещество, порции которых заключены в оболочке, чтобы избежать прямого контакта двух различных веществ. Полимерная пленка со сквозными отверстиями используется для покрытия веществ, находящихся в нетекучем состоянии. Когда источник полярного раствора высвобождает полярный раствор, полярный раствор будет взаимодействовать с источником пассивирующей смеси через сквозные отверстия, выступающие в качестве пути переноса. Материал полимерной пленки может быть пленкообразующим реагентом, как описано ниже.If the insulating device is a protective layer or a shell without holes, taking the protective layer as an example, the protective layer is composed of a heat-sensitive degradable material or a soluble material that dissolves in a polar solution. The decomposition temperature of the thermosensitive decomposable material is 70-130°C. Both the protective layer and the sheath are used to separate the source of the passivating mixture and the source of the polar solution from each other, but they are applied in different ways. A protective layer is used to insulate film-type material by applying a protective layer to the outer surface of a single-layer or multi-layer film-type material. The shell is used to separate from each other a powder or liquid substance, portions of which are enclosed in a shell, in order to avoid direct contact between two different substances. Polymer film with through holes is used to cover substances that are in a non-flowing state. When the source of the polar solution releases the polar solution, the polar solution will interact with the source of the passivating mixture through the through holes acting as a transfer path. The polymeric film material may be a film-forming agent, as described below.
Вышеупомянутое высвобождающее воду соединение, эндотермически разлагающееся с выделением воды, может быть выбрано из Al(ОН)3, Al(ОН)3 ⋅ Н2О, Mg(OH)2, NH4H2PO4, NaHCO3, CH3COONa ⋅ 3H2O, ZnOB2O3⋅H2O, Na2B4O7⋅10Н2О, безводный CaCl, CaCl ⋅H2O, CaCl ⋅ 2H2O, CaCl ⋅ 4H2O, MgCl ⋅ 6H2O, KAl(SO4)2 ⋅ 12H2O, Zn(OH)2, Ва(ОН)2 ⋅ 8H2O, LiOH или их сочетаний.The aforementioned water-releasing compound endothermically decomposing to release water can be selected from Al(OH) 3 , Al(OH) 3 ⋅ H 2 O, Mg(OH) 2 , NH 4 H 2 PO 4 , NaHCO 3 , CH 3 COONa ⋅ 3H 2 O, ZnOB 2 O 3 ⋅H 2 O, Na 2 B 4 O 7 ⋅10H 2 O, anhydrous CaCl, CaCl ⋅H 2 O, CaCl ⋅ 2H 2 O, CaCl ⋅ 4H 2 O, MgCl ⋅ 6H 2 O, KAl(SO 4 ) 2 ⋅ 12H 2 O, Zn(OH) 2 , Ba(OH) 2 ⋅ 8H 2 O, LiOH, or combinations thereof.
Термочувствительный разлагаемый материал может быть выбран из парафинового масла, микрокристаллического воска, полиэтиленового воска, полиэтилена низкой плотности, политранс- 1,4-бутадиена, политетраметиленоксида, изотактического полиметилметакрилата, полиэтиленоксида, полиэтиленадипата, изотактического поли-1-бутена, полиэтилена. Кроме того, термочувствительный разлагаемый материал для снижения температуры его размягчения смешивают с минеральным маслом.The temperature sensitive degradable material can be selected from paraffin oil, microcrystalline wax, polyethylene wax, low density polyethylene, polytrans-1,4-butadiene, polytetramethylene oxide, isotactic polymethyl methacrylate, polyethylene oxide, polyethylene adipate, isotactic poly-1-butene, polyethylene. In addition, the heat-sensitive degradable material is mixed with mineral oil to lower its softening point.
В настоящем изобретении защитный слой элемента подавления теплового убегания выполнен из термочувствительного разлагаемого материала или выделяющего воду материала, разлагающегося эндотермически. Следовательно, собственная тепловая энергия батареи используется для срабатывания элемента подавления теплового убегания, который высвобождает ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В), а также запускает процесс травления алюминиевого токосъемника. Например, когда источник полярного раствора выбирается из высвобождающих воду материалов, материал защитного слоя, используемый в качестве оболочки для источника пассивирующей смеси, выбирается из материалов, которые легко растворяются в воде. Таким образом, термическим триггером служит эндотермически разлагающийся с выделением воды материал. Когда материалом источника полярного раствора является чистая вода, в качестве оболочки для воды используется термочувствительный разлагаемый материал, нерастворимый в воде. Таким образом, в качестве теплового триггера служит термочувствительный разлагаемый материал. Для повышения температуры испарения полярного раствора в источник полярного раствора может быть добавлен кипящий при высокой температуре гидрофильный материал, такой как глицерин или DMSO (диметилсульфоксид).In the present invention, the protective layer of the thermal runaway suppression member is made of a heat-sensitive decomposable material or a water-releasing material that decomposes endothermally. Therefore, the battery's own thermal energy is used to actuate the thermal runaway suppression element, which releases metal ions (A) and aluminum etching ions (B), and starts the etching process of the aluminum current collector. For example, when the source of the polar solution is selected from water-releasing materials, the material of the protective layer used as the sheath for the source of the passivation mixture is selected from materials that are readily soluble in water. Thus, the thermal trigger is a material that decomposes endothermically with the release of water. When the source material of the polar solution is pure water, a heat-sensitive decomposable material insoluble in water is used as the water jacket. Thus, a thermosensitive degradable material serves as a thermal trigger. To increase the evaporation temperature of the polar solution, a high-boiling hydrophilic material such as glycerol or DMSO (dimethyl sulfoxide) can be added to the polar solution source.
Кроме того, источник пассивирующей смеси и/или источник полярного раствора может дополнительно смешиваться с пленкообразующим реагентом для образования элемента подавления теплового убегания пленочного типа. Например, как показано на фигуре 1А, источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14 смешивают с требующим растворителя пленкообразующим реагентом 16 для образования пленки 10 с помощью процессов смешивания, нанесения покрытия, сушки и прессования. В другом примере, для смешивания с источником пассивирующей смеси 12 и источником полярного раствора 14 с образованием пленки 10 посредством процесса термического прессования используется не требующий растворителя пленкообразующий реагент 16. Соответственно, в таком случае нет необходимости в процессе сушки для удаления растворителя. Не требующий растворителя пленкообразующий реагент 16 может быть политетрафторэтиленом (PTFE). С другой стороны, пленкообразующий реагент 16, требующий растворителя, предпочтительно выбирается из материалов, растворитель которых удаляется при температуре около 80°С, таких как поливинилиденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP) с использованием в качестве растворителя ацетона, полиуретан (PU) с использованием в качестве растворителя бутанона, или же стирол-бутадиеновый каучук (SBR), карбоксиметилцеллюлоза (CMC) или полиакриловая кислота (РАА) с использованием в качестве растворителя воды. В случае смешивания различных материалов источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14, упомянутое выше изолирующее устройство должно быть сформировано на одной из поверхностей источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14 для контакта с ними. Например, источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14 заключены в оболочку 26, чтобы отделить источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14 друг от друга, как показано на фигуре 1В. Размер частиц оболочки 26 предпочтительно составляет от 1 до 100 микрон. И процесс использования материала оболочки 26 для покрытия оболочкой источников 12, 14 может быть физическим или химическим процессом. Физический процесс может быть, например, фазовым переходом из твердого в жидкое состояние на основе изменения температуры или испарения растворителя. Химический процесс может представлять собой полимеризацию небольших мономеров. Когда источник полярного раствора 14 выбран из высвобождающих воду соединений, а источник пассивирующей смеси 12 находится в безводном состоянии, нерастворимая в воде полимерная пленка 23 со сквозными отверстиями 25 используется для покрытия источника пассивирующей смеси 12, как показано на фигуре 1С, чтобы уменьшить вероятность контакта источника пассивирующей смеси 12 с источником полярного раствора 14. Когда источник полярного раствора 14 под воздействием повышенной температуры высвобождает воду, вода, проникая через сквозные отверстия 25, вступает в реакцию с источником пассивирующей смеси 12 с образованием жидкости. Затем жидкость будет вытекать через сквозные отверстия 25, запуская последующие реакции, такие как травление алюминиевого токосъемника.In addition, the passivating mixture source and/or the polar solution source may be further mixed with the film-forming agent to form a film-type thermal runaway suppression element. For example, as shown in Figure 1A, a
Кроме того, чтобы соответствовать требованиям формирования пленки может использоваться подложка. Пленкообразующий реагент в таком случае будет не нужен. Например, как показано на фигуре 2, источник полярного раствора 14 элемента подавления теплового убегания 10 для образования пленки прикреплен к подложке 22. Источник пассивирующей смеси 12 смешивается с пленкообразующим реагентом 16 для образования пленки 17. Чтобы избежать нестабильности, вызванной прямым контактом источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14, на внешней поверхности подложки 22 нанесен защитный слой 18. Подложка 22 может быть изготовлена из полимера, например, полиакриловой кислоты (РАА), полиакрилата натрия, карбоксиметилцеллюлозы (CMC), полиуретанового полимера, гуаровой камеди, натриевой соли альгиновой кислоты, полиэтиленимина (PEI), полиэтиленоксида (РЕО) и поливинипирролидона (PVP). Когда подложка 22 состоит из волокон, таких как нетканый материал, то этот материал может быть полипропиленом (РР), полиэтилентерефталатом (PET) и т.п., или же стекловолокном. Подложка 22 также может состоять из полиметилметакрилата (РММА) и поликарбонатов (PC). Кроме того, когда состав подложки 22 выбран из материалов, находящихся в гелеобразном состоянии, способных абсорбировать растворы, таких как альгинат натрия и полиакрилат натрия, они могут непосредственно абсорбировать соединения в состоянии раствора. Когда состав подложки 22 выбран из материалов, находящихся в гелеобразном состоянии, другие виды подложки с отверстиями, такие как нетканые волокна, могут также быть использованы. Материал оболочки 26 определяется содержащимся в ней соединением. Например, когда материал оболочки 26 легко растворяется в воде, т.е. он не может быть использован для хранения чистой воды, материал выбирается из таких соединений как желатин, гуммиарабик, хитозан, казеинат натрия, крахмал, лактоза, мальтодекстрин, поли-L-лизин/альгинат, полиэтиленимин/ альгинат, альгинат кальция, поливиниловый спирт. Когда материал оболочки 26 должен быть труднорастворим в воде, материал выбирают из таких соединений как этилцеллюлоза, полиэтилен, полиметакрилат, нитрат целлюлозы, силиконы, парафин, карнаубский воск, стеариновая кислота, жирные спирты, стеариловый спирт, жирные кислоты, углеводородная смола, моноацилглицерин, диацилглицерин и триацилглицерин.In addition, a substrate may be used to meet film forming requirements. In this case, a film-forming reagent will not be needed. For example, as shown in Figure 2, the
Например, когда источник полярного раствора 14 высвобождает чистую воду, материал оболочки 26, используемый для хранения чистой воды, выбирается из термочувствительного разлагаемого материала, труднорастворимого в воде. Источник пассивирующей смеси 12 может не быть или быть заключен в оболочке 26, изготовленной из материала, легкорастворимого в воде.For example, when the
Упомянутые выше способы защиты или формирования пленки для источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14 можно сочетать друг с другом, не ограничиваясь только теми, которые указаны на фигурах или в описаниях. Например, когда источник пассивирующей смеси 12 состоит из двух соединений 121 и 122, соединение 121 заключено в оболочку 26 и смешивается с источником полярного раствора 14 и пленкообразующим реагентом 16 с помощью процессов перемешивания, нанесения покрытия, сушки и прессования с образованием в результате первой пленки 28. Соединение 122 заключено в оболочку 26 и смешивается с пленкообразующим реагентом 16 с помощью процессов перемешивания, нанесения покрытия, сушки и прессования с образованием в результате второй пленки 29. Вторая пленка 29 прикреплена к поверхности первой пленки 28 с образованием слоистой структуры, как показано на фигуре 3А.The above methods for protecting or forming a film for the
Кроме того, на фигурах 3В и 3С изображены другие варианты осуществления элемента подавления теплового убегания 10. Пожалуйста, обратитесь к фигуре 3В, соединение 122 имеет вид раствора и прикреплено к подложке 22 путем заключения их в защитный слой 18. Соединение 121 смешивают с источником полярного раствора 14 и пленкообразующим реагентом 16 и заключают в оболочку 26 для образования пленки. Пожалуйста, обратитесь к фигуре 3С, оба соединения, соответственно, 121 и 122, смешиваются с источником полярного раствора 14 и пленкообразующим реагентом 16 и заключаются в оболочку 26 для образования пленки. Специалисты в данной области техники могут изменять или сочетать способы защиты или формирования пленки. Такие изменения не следует рассматривать как отход от сущности и объема изобретения.In addition, figures 3B and 3C show other embodiments of the thermal
Пожалуйста, обратитесь к фигурам 4А-4В, на которых изображена конструкция батареи с элементом подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением. В такой конструкции, поскольку элемент подавления теплового убегания расположен за пределами литиевой батареи, он не повлияет на работу электрохимической реакционной системы. Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4А, на которой элемент подавления теплового убегания 10 расположен на внешней поверхности положительного токосъемного слоя 301 литиевой батареи 30. Положительный токосъемный слой 301 является алюминиевым токосъемником. Литиевая батарея 30 включает в себя положительный токосъемный слой 301, отрицательный токосъемный слой 302, клеевой каркас 303, а также электрохимическую реакционную систему. Клеевой каркас 303 расположен между положительным токосъемным слоем 301 и отрицательным токосъемным слоем 302. Один край клеевого каркаса 303 приклеен к положительному токосъемному слою 301, а другой край клеевого каркаса 303 приклеен к отрицательному токосъемному слою 302. Положительный токосъемный слой 301, отрицательный токосъемный слой 302 и клеевой каркас 303 образуют замкнутое пространство. Электрохимическая реакционная система, расположенная в замкнутом пространстве, включает в себя слой активного вещества положительного электрода 304, смежный с положительным токосъемным слоем 301, и слой активного вещества отрицательного электрода 305, смежный с отрицательным токосъемным слоем 302. Сепаратор 306 расположен между слоем активного вещества положительного электрода 304 и слоем активного вещества отрицательного электрода 305, и имеет характеристики ионной проводимости и электроизоляционные свойства. Система электролита расположена в замкнутом пространстве и пропитана или смешана в слое активного вещества положительного электрода 304, слое активного вещества отрицательного электрода 305 и сепараторе 306, и используется для переноса ионов. Кроме того, слой активного вещества положительного электрода 304 и слой активного вещества отрицательного электрода 305 могут дополнительно включать в себя электропроводящие и адгезивные материалы. Поскольку эти части не являются техническими особенностями данного изобретения, подробное описание здесь не приводится.Please refer to Figures 4A-4B, which show the structure of a battery with a thermal runaway suppression element in accordance with the present invention. In such a structure, since the thermal runaway suppression element is located outside the lithium battery, it will not affect the operation of the electrochemical reaction system. Please refer to Figure 4A, in which the thermal
Кроме того, материал сепаратора 306 состоит из твердого электролита или электроизоляционного слоя с отверстиями, сформированного из полимерного материала с покрытием из керамических порошков на его поверхности. Кроме того, сепаратор 306 также может быть сформирован путем укладки только слоев керамических порошков с использованием связующего вещества. Керамические порошки могут не иметь ионной проводимости или также могут иметь ионную проводимость.In addition, the material of the
Положительный токосъемный слой 301, отрицательный токосъемный слой 302 и клеевой каркас 303 используются в качестве упаковочного корпуса батареи 30. Электрохимическая реакционная система батареи 30 защищена этим упаковочным корпусом и изолирована от внешней среды. Клеевой каркас 303 изготавливается из любого полимерного материала, способного приклеиваться к поверхностям положительного и отрицательного токосъемных слоев 301 и 302, если он является 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 смесью. Примеры углеродных материалов включают графитизированные углеродные материалы и аморфные углеродные материалы, такие как природный графит, модифицированный графит, частицы графитизированного мезофазного углерода, мягкие углеродные материалы, такие как кокс, и некоторые твердые углеродные материалы. Материалы на основе кремния включают кремний, оксиды кремния, композитные кремний-углеродные материалы и кремниевые сплавы.The positive
Элемент подавления теплового убегания 10 в соответствии с данным изобретением расположен на внешней поверхности положительного токосъемного слоя 301 литиевой батареи 30. Элемент подавления теплового убегания 10 высвобождает ионы металла (А), вызывающие травление алюминия ионы (В) и полярный раствор, когда температура достигает заданного значения, например, 70-130°С. Положительный токосъемный слой 301 протравливается насквозь и образованные во время травления ионы алюминия просачиваются в литиевую батарею 30, вступая в реакцию с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития и активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития.The thermal
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4В, на которой изображен другой вариант осуществления применяемого в батарее элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления элемент подавления теплового убегания 10 может находиться между двумя расположенными друг над другом литиевыми батареями 30. Когда две расположенные друг над другом литиевые батареи 30 соединены параллельно, для их соединения используется язычок. Также, пожалуйста, обратитесь к фигуре 4С, на которой элемент подавления теплового убегания 10 в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает в себя согнутый в виде буквы U металлический лист 32, который изготовлен из материала, который может быть протравлен насквозь элементом подавления теплового убегания 10, или из металлической сетки. Согнутый в виде буквы U металлический лист 32 состоит из двух параллельных плечей 321 и соединяющего их поперечного элемента 322, причем два параллельных плеча 321 и поперечный элемент 322 образуют пространство 323, в котором расположен элемент подавления теплового убегания 10. Одно параллельное плечо 321 расположено на положительном токосъемном слое 301 литиевой батареи 30, а другое параллельное плечо 321 расположено на отрицательном токосъемном слое 302 другой литиевой батареи 30. Следовательно, две литиевые батареи 30 электрически соединены. Или, как показано на фигуре 4D, элемент подавления теплового убегания 10 в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает в себя каркас из металлической сетки 33 со сквозными отверстиями 331. Источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора поступают внутрь через сквозные отверстия 331. Каркас из металлической сетки 33 используется в качестве несущей подложки и для электрического соединения. В упомянутых выше вариантах осуществления элемент подавления теплового убегания 10 расположен между двумя уложенными друг на друга литиевыми батареями 30, которые подключены параллельно или последовательно.Please refer to Figure 4B, which shows another embodiment of the thermal runaway suppression element used in the battery according to the present invention. In this embodiment, the thermal
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4Е, на которой изображен ограничивающий слой 34, задающий направление травления, расположенный вокруг боковой стенки элемента подавления теплового убегания 10. Ограничивающий слой 34 менее чувствителен к изменениям внешней окружающей среды, чем защитный слой 18 и оболочка 26. Две торцовых поверхности ограничивающего слоя 34 примыкают к токосъемникам 301, 302 батарей 30 или расположены рядом с ними. Упомянутые выше изменения внешней окружающей среды представляют собой изменения температуры, рН или концентрации электролита. Например, если фактором изменения внешней среды является температура, то, при таком строении, оболочка 26 или защитный слой 18 будут разрушены из-за изменения температуры раньше, чем ограничивающий слой 34. Следовательно, источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14, содержащиеся внутри, будут высвобождены. Кроме того, поскольку окружающий ограничивающий слой 34 не повреждается, высвобождаемые ионы или полярный раствор остаются внутри окружающей области ограничивающего слоя 34. Направление травления будет ограничено токосъемником 301. Вышеупомянутый ограничивающий слой 34 может быть выполнен из силикона.Please refer to Figure 4E, which shows an etch
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4F, в этом варианте осуществления открытая поверхность положительного токосъемного слоя 301 имеет множество канавок 36 с отверстиями. Элемент подавления теплового убегания 10 заполняет канавки 36. Соответственно, боковые стенки канавок 36 могут использоваться для ограничения направления травления элемента подавления теплового убегания 10. Или, как показано на фигуре 4G, на положительном токосъемном слое 301 может располагаться множество выступов 38. Выступы 38 выполняются из металла, стекла или полимера, инертного по отношению к элементу подавления теплового убегания 10. Выступы 38 и участки, расположенные вне выступов 38 положительного токосъемного слоя 301, образуют канавки 36 для вмещения элемента подавления теплового убегания 10. Или открытая поверхность положительного токосъемного слоя 301 может содержать множество вспомогательных прорезей 37, которые не проходят его насквозь. Вспомогательные прорези 37 используются для облегчения травления, как показано на фигуре 4Н.Please refer to Figure 4F, in this embodiment, the exposed surface of the positive
Продолжая, следует отметить, что элемент подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением воздействует на активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития. В этом эксперименте активным веществом положительного электрода является NMC811, а активным веществом отрицательного электрода кремний-углерод.Continuing, the thermal runaway suppression element according to the present invention acts on the positive electrode active substance to release lithium ions and the negative electrode active substance to introduce lithium ions. In this experiment, the active substance of the positive electrode is NMC811, and the active substance of the negative electrode is silicon-carbon.
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 5А, 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 кристаллической решетки изменилась из-за введения в нее ионов натрия или калия. Это может быть связано с тем, что ионы натрия/калия, по сравнению с ионами лития имеющие более крупный размер, больший вес и более высокую потенциальную энергию, получают электроны на поверхности активного вещества положительного электрода с образованием атомов натрия/калия. И за счет сгенерированной тепловой энергии они будут перемещаться на места выделяемых ионов лития, т.е. будет происходить интеркаляция, формируя более стабильную структуру с более низкой электрохимической потенциальной энергией.Please refer to Figure 5A 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 crystal lattice structure has changed due to the introduction of sodium or potassium ions into it. This may be due to the fact that sodium/potassium ions, compared to lithium ions, which have a larger size, greater weight and higher potential energy, receive electrons on the surface of the active substance of the positive electrode to form sodium/potassium atoms. And due to the generated thermal energy, they will move to the places of the released lithium ions, i.e. intercalation will occur, forming a more stable structure with a lower electrochemical potential energy.
Пожалуйста, обратитесь к фигуре 5В, которая представляет собой рентгеновскую дифрактограмму до и после того, как активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития вступает в реакцию с ионами натрия/калия и ионами алюминия. Очевидно, что характеристические пики, представляющие сплавы лития и кремния, полностью исчезли. Это означает, что сплавы лития и кремния превратились в полимерные соединения с более низкой энергией. Можно предположить, что ионы натрия/калия и ионы алюминия образуют неорганический полимер, то есть геополимер, с кремний-углеродом. Структура этого полимера Mn[-(SiO2)z-AlO2]n⋅wH2O, где z молярное отношение атомов Si/Al, Z=1, 2, 3 или больше 3, М - катион, такой как ион калия (K+) или ион натрия (Na+), n - степень полимеризации, aw- молярное количество кристаллизационной воды. Это неорганическое соединение представляет собой структуру с замкнутой кристаллической решеткой, подобную цеолиту, поэтому оно может переводить активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития в состояние с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией.Please refer to Figure 5B, which is an X-ray diffraction pattern before and after the negative electrode active material reacts with sodium/potassium ions and aluminum ions with the introduction of lithium ions. It is obvious that the characteristic peaks representing alloys of lithium and silicon have completely disappeared. This means that lithium and silicon alloys have evolved into lower energy polymeric compounds. It can be assumed that sodium/potassium ions and aluminum ions form an inorganic polymer, i.e. a geopolymer, with silicon-carbon. The structure of this polymer is M n [-(SiO 2 ) z -AlO 2 ] n ⋅wH 2 O, where z is the molar ratio of Si/Al atoms, Z=1, 2, 3 or greater than 3, M is a cation such as a potassium ion (K + ) or sodium ion (Na + ), n is the degree of polymerization, aw is the molar amount of water of crystallization. This inorganic compound is a closed crystal structure similar to zeolite, so it can bring the active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions into a state of higher electric potential and lower energy.
Обратитесь к фигурам 6А и 6В. Фигура 6А показывает кривую напряжения и температуры для испытания на тепловое убегание обычного элемента литиевой батареи. Фигура 6В показывает кривую напряжения и температуры для элемента литиевой батареи, выполняющего подавление теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фигурах, при тепловом убегании и выделении тепла 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.Refer to figures 6A and 6B. Figure 6A shows a voltage and temperature curve for a thermal runaway test of a conventional lithium battery cell. Figure 6B shows a voltage and temperature curve for a lithium battery cell performing thermal runaway suppression in accordance with the present invention. As shown in the figures, during thermal runaway and heat generation, the voltage of a conventional lithium battery cell starts to drop after the temperature reaches about 500°C. However, for the thermal runaway suppression 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.
Фигуры 7А-7С представляют собой изображения результатов капания различных растворов, выбранных, соответственно, из чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq), на катод батареи, заряженной на 100%. На фигуре 7А видно, что катод не вступает в реакцию с чистой водой. На фигурах 7Б и 7С можно видеть, что NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq) образуют на поверхности катода капли в гидрофобном состоянии, и в этих каплях присутствует множество крошечных пузырьков.Figures 7A-7C are images of the results of dropping various solutions, selected respectively from pure water, NaOH( aq ) and NaAl(OH 4 )( aq ), onto the cathode of a 100% charged battery. Figure 7A shows that the cathode does not react with pure water. In Figures 7B and 7C it can be seen 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 these droplets.
Фигуры 8А-8С являются изображениями результатов капания различных растворов, выбранных, соответственно, из чистой воды, NaOH(aq) и NaAl(OH4)(aq), на анод батареи, заряженной на 100%. На фигуре 8А видно, что оставшийся в аноде литий вступает в интенсивную реакцию с чистой водой, что приводит к растрескиванию анода. На фигурах 8В и 8С 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 зажимным приспособлением, как показано на фигуре 8D.Figures 8A-8C are depictions of the results of dropping various solutions, respectively selected from pure water, NaOH( aq ) and NaAl(OH 4 )( aq ), onto the anode of a 100% charged battery. Figure 8A shows that the lithium remaining in the anode reacts vigorously with pure water, leading to cracking of the anode. In Figures 8B and 8C, 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 by a jig, as shown in Figure 8D.
Фигуры 9А и 9В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа катода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, при этом 30% раствор гидроксида 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 9A and 9B are scanning electron microscope images of a battery cathode charged at 40% and 100%, respectively, with 30% sodium hydroxide solution dripping on it for about 1 hour, DMC (dimethyl carbonate) and pure water, and then it was dried for 8 hours at 60°C. As shown in the figures, for a 40% charged battery cathode, due to the lower lithium ion release rate, 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 10А и 10В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа анода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, при этом 30% раствор гидроксида 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 10A and 10B are scanning electron microscope images of a battery anode charged at 40% and 100%, respectively, with 30% sodium hydroxide solution dripping on it for about 1 hour, DMC (dimethyl carbonate) and pure water, 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 11А и 11В, которые представляют собой термограммы с дифференциального сканирующего калориметра для катода и анода с использованием 20% NaAl(OH4)(aq). На фигуре 11А 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 11В, очевидно, также исчез.In addition, to verify the lower cathode and anode energies mentioned above, refer to Figures 11A and 11B, which are differential scanning calorimeter thermograms for cathode and anode using 20% NaAl(OH 4 )( aq ). In Figure 11A, it can be clearly seen that the peak of the cathode heat flux at about 210°C has apparently disappeared, and the peak of the anode heat flux at about 180°C, as seen in Figure 11B, has also apparently disappeared.
Таким образом, элемент подавления теплового убегания может переводить активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития из исходного состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в кристаллическое состояние оксида металла с более низким электрическим потенциалом и меньшей энергией, а активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития из исходного состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние неорганического полимера с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Следовательно, напряжение всей батареи снижается, и протекание электрохимической реакции блокируется.Thus, the thermal runaway suppression element can transfer the lithium ion releasing positive electrode active substance from the initial state of higher electric potential and higher energy to the metal oxide crystal state of lower electric potential and lower energy, and the negative electrode active substance by introducing lithium ions from an initial state with a lower electrical potential and higher energy to a state of an inorganic polymer with a higher electrical potential and lower energy. Consequently, the voltage of the entire battery is reduced and the electrochemical reaction is blocked.
Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает элемент подавления теплового убегания литиевых батарей и его соответствующее применение. Когда температура литиевой батареи достигает заданного значения, например, 70-130°С, алюминиевый токосъемник протравливается насквозь вызывающими травление алюминия ионами, для того чтобы служить путем поступления ионов внутрь электрохимической реакционной системы. По этому пути ионы металла (А) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему и вступают в реакцию с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития и активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития, переводя их в состояние с более низкой энергией. Напряжение всей батареи снижается, а протекание электрохимической реакции блокируется, предотвращая возникновение теплового убегания. 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, одновременно потребляя тепловую энергию. Также, подавляется выделение кислорода, вызванное структурной нестабильностью, и происходящая из-за этого неконтролируемая цепная реакция. Активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития будет взаимодействовать с ионами металла (А), такими как ионы щелочного металла, отличного от лития, ионы щелочноземельного металла или их сочетанием, а также с ионами алюминия, с образованием полимерных соединений с более низкой энергией. В результате, как активное вещество положительного электрода, так и активное вещество отрицательного электрода останутся в состоянии с более низкой энергией, повышая безопасность литиевых батарей, эффективно и быстро прекращая тепловое убегание в них. Кроме того, поскольку элемент подавления теплового убегания расположен снаружи литиевой батареи, то он не влияет на эффективность или состав ее электрохимической реакционной системы.Accordingly, the present invention provides a lithium battery thermal runaway suppression element and its corresponding application. When the temperature of the lithium battery reaches a predetermined value, for example, 70-130°C, the aluminum current collector is etched through with aluminum-etching ions to serve as a path for the ions to enter the interior of the electrochemical reaction system. In this way, metal ions (A) and aluminum ions formed during etching penetrate into the electrochemical reaction system and react with 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, transferring them to the state with lower energy. The voltage of the entire battery is reduced and the electrochemical reaction is blocked, preventing thermal runaway from occurring. 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 that 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, while simultaneously consuming thermal energy. Also, oxygen evolution caused by structural instability and the resulting uncontrolled chain reaction are suppressed. The active substance of the negative electrode with the introduction of lithium ions will react with metal (A) ions such as alkali metal ions other than lithium, alkaline earth metal ions, or a combination thereof, as well as aluminum ions, to form lower energy polymeric compounds. As a result, both the positive electrode active substance and the negative electrode active substance remain in a lower energy state, improving the safety of lithium batteries by effectively and quickly stopping thermal runaway therein. In addition, since the thermal runaway suppression element is located on the outside of the lithium battery, it does not affect the efficiency or composition of its electrochemical reaction system.
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 далее 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 (28)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US63/058205 | 2020-07-29 | ||
| US63/087563 | 2020-10-05 | ||
| US17/372084 | 2021-07-09 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2772946C1 true RU2772946C1 (en) | 2022-05-27 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2156523C2 (en) * | 1995-06-07 | 2000-09-20 | Дьюраселл Инк. | Lithium cell improvement technique |
| RU2566741C2 (en) * | 2011-07-26 | 2015-10-27 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Current lead for bipolar lithium-ion battery |
| US9711774B2 (en) * | 2014-12-03 | 2017-07-18 | Nano And Advanced Materials Institute Limited | Lithium ion battery with thermal sensitive layer |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2156523C2 (en) * | 1995-06-07 | 2000-09-20 | Дьюраселл Инк. | Lithium cell improvement technique |
| RU2566741C2 (en) * | 2011-07-26 | 2015-10-27 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Current lead for bipolar lithium-ion battery |
| US9711774B2 (en) * | 2014-12-03 | 2017-07-18 | Nano And Advanced Materials Institute Limited | Lithium ion battery with thermal sensitive layer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11682805B2 (en) | Thermal runaway suppression element and the related applications | |
| Mori | A new structured aluminium–air secondary battery with a ceramic aluminium ion conductor | |
| KR20240058810A (en) | Thermal runaway suppressant of lithium batteries and the related applications | |
| RU2772946C1 (en) | Thermal escape suppression element and its corresponding application | |
| 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 | |
| BR102021014809B1 (en) | THERMAL LEAKAGE SUPPRESSION ELEMENT AND RELATED APPLICATIONS | |
| KR20240095122A (en) | Method for suppressing thermal runaway of lithium batteries |