journal article·2020-12-08Open access

Design Strategies of Safe Electrolytes for Preventing Thermal Runaway in Lithium Ion Batteries

Xiaolu Tian, Yikun Yi, Binren Fang, Pu Yang, Te Wang, Pei Liu, Long Qu, Mingtao Li, Shanqing Zhang

Chemistry of Materials· Volume 32· Issue 23

Abstract

The safety problems of lithium ion batteries (LIBs) have been the main obstacles that hinder their broad applications in portable electronic devices, electric vehicles, and energy storage. Such problems originate from flammable solvent-containing liquid electrolytes that could be easily oxidized upon excessive heat, leading to further heat accumulation and, subsequently, thermal runaway. The design strategies of a safe electrolyte could control the flammability and volatility of the liquid electrolyte, might prevent the thermal runaway, and ultimately ensure the risk-free and fire-free operation of LIBs. This work is to explore the mechanism of thermal runaway and review the state-of-the-art of the designs of a safe electrolyte for LIBs, including the additions of flame retardant additives, overcharge additives, and stable lithium salts and the adoption of solid-state electrolytes, ionic liquid electrolytes, and thermosensitive electrolytes. The features, advantages, and drawbacks of these strategies are systematically summarized, compared, and discussed, while the development direction of a safer electrolyte for future LIBs is proposed in the end.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Advancements in Battery Materials · Advanced Battery Materials and Technologies · Advanced Battery Technologies Research

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

School of Chemical Engineering and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

Centre of Clean Environment and Energy, School of Environment and Science, Griffith University, Gold Coast Campus, Southport, Queensland 4222, Australia

Funding

Ministry of Education of the People's Republic of China · National Natural Science Foundation of China · Natural Science Foundation of Shaanxi Province

References (100+)

Show source-provided references
1. 10.1016/j.nanoen.2019.03.07410.1016/j.nanoen.2019.03.074 ↗
2. 10.1126/science.121274110.1126/science.1212741 ↗
3. 10.1002/adma.20090332810.1002/adma.200903328 ↗
4. 10.1021/ja309143810.1021/ja3091438 ↗
5. 10.1038/nchem.208510.1038/nchem.2085 ↗
6. 10.1016/S0378-7753(02)00488-310.1016/S0378-7753(02)00488-3 ↗
7. 10.1038/451652a10.1038/451652a ↗
8. 10.1016/j.mattod.2014.10.04010.1016/j.mattod.2014.10.040 ↗
9. 10.1038/s41560-019-0338-x10.1038/s41560-019-0338-x ↗
10. 10.1039/C8TA10513H10.1039/C8TA10513H ↗
11. 10.1016/j.ensm.2018.05.00710.1016/j.ensm.2018.05.007 ↗
12. 10.1038/natrevmats.2016.1310.1038/natrevmats.2016.13 ↗
13. 10.1002/adma.20180056110.1002/adma.201800561 ↗
14. 10.1007/s10008-017-3610-710.1007/s10008-017-3610-7 ↗
15. 10.1016/j.rser.2018.03.00210.1016/j.rser.2018.03.002 ↗
16. 10.1038/npjcompumats.2016.210.1038/npjcompumats.2016.2 ↗
17. 10.1038/3510464410.1038/35104644 ↗
18. 10.1002/anie.20070250510.1002/anie.200702505 ↗
19. 10.1021/cm901452z10.1021/cm901452z ↗
20. 10.1016/j.rser.2017.05.00110.1016/j.rser.2017.05.001 ↗
21. 10.1038/s41560-018-0108-110.1038/s41560-018-0108-1 ↗
22. 10.1016/j.rser.2016.11.17110.1016/j.rser.2016.11.171 ↗
23. 10.3389/fenrg.2019.0007110.3389/fenrg.2019.00071 ↗
24. 10.1016/j.jpowsour.2012.10.06010.1016/j.jpowsour.2012.10.060 ↗
25. 10.1016/j.jpowsour.2012.12.10210.1016/j.jpowsour.2012.12.102 ↗
26. 10.1166/mex.2012.107510.1166/mex.2012.1075 ↗
27. 10.1016/j.ensm.2017.05.01310.1016/j.ensm.2017.05.013 ↗
28. 10.1016/j.enconman.2018.12.05110.1016/j.enconman.2018.12.051 ↗
29. 10.1016/j.jpowsour.2012.02.03810.1016/j.jpowsour.2012.02.038 ↗
30. 10.1149/1.183885710.1149/1.1838857 ↗
31. Chen Y. · Progress In Chemistry · 2006 · 18 · 823
32. 10.1002/aenm.20160081110.1002/aenm.201600811 ↗
33. 10.1002/smll.20180142310.1002/smll.201801423 ↗
34. 10.1016/j.ensm.2018.03.00110.1016/j.ensm.2018.03.001 ↗
35. 10.5796/electrochemistry.84.21010.5796/electrochemistry.84.210 ↗
36. 10.1007/s12274-017-1596-110.1007/s12274-017-1596-1 ↗
37. 10.1016/j.ensm.2018.03.02410.1016/j.ensm.2018.03.024 ↗
38. 10.1016/j.jpowsour.2013.12.09910.1016/j.jpowsour.2013.12.099 ↗
39. Hu Y. · Battery Bimonthly · 2005 · 35 · 462
40. 10.1016/j.gee.2016.04.00610.1016/j.gee.2016.04.006 ↗
41. 10.1016/j.pecs.2019.03.00210.1016/j.pecs.2019.03.002 ↗
42. 10.1016/j.nanoen.2018.10.03510.1016/j.nanoen.2018.10.035 ↗
43. 10.1016/j.jpowsour.2015.11.10010.1016/j.jpowsour.2015.11.100 ↗
44. 10.1016/j.rser.2016.05.03310.1016/j.rser.2016.05.033 ↗
45. 10.1016/j.jpowsour.2005.12.00210.1016/j.jpowsour.2005.12.002 ↗
46. 10.1126/sciadv.aas982010.1126/sciadv.aas9820 ↗
47. 10.1021/acs.nanolett.8b0103610.1021/acs.nanolett.8b01036 ↗
48. 10.1016/j.jechem.2017.11.01010.1016/j.jechem.2017.11.010 ↗
49. 10.1016/j.carbon.2016.04.00810.1016/j.carbon.2016.04.008 ↗
50. 10.1016/j.jhazmat.2009.01.12510.1016/j.jhazmat.2009.01.125 ↗
51. 10.1016/S0378-7753(01)00960-010.1016/S0378-7753(01)00960-0 ↗
52. 10.1016/j.jpowsour.2005.03.17710.1016/j.jpowsour.2005.03.177 ↗
53. 10.1016/j.jlp.2006.02.00210.1016/j.jlp.2006.02.002 ↗
54. 10.1016/j.apenergy.2014.04.09210.1016/j.apenergy.2014.04.092 ↗
55. 10.1016/j.jpowsour.2013.07.03010.1016/j.jpowsour.2013.07.030 ↗
56. 10.1016/S0378-7753(99)00260-810.1016/S0378-7753(99)00260-8 ↗
57. 10.1016/S0378-7753(99)00135-410.1016/S0378-7753(99)00135-4 ↗
58. 10.1016/j.jpowsour.2005.05.06710.1016/j.jpowsour.2005.05.067 ↗
59. Zhang Z. J. · 2014 · 40910.1016/B978-0-444-59513-3.00018-2 ↗
60. 10.1149/1.140724510.1149/1.1407245 ↗
61. 10.1016/j.jpowsour.2006.07.07410.1016/j.jpowsour.2006.07.074 ↗
62. Xu J. · Chinese Journal of Power Sources · 2008 · 32 · 800
63. 10.6028/jres.077A.04510.6028/jres.077A.045 ↗
64. 10.1149/1.139777310.1149/1.1397773 ↗
65. 10.1002/1099-1018(200011/12)24:6<277::AID-FAM746>3.0.CO;2-A10.1002/1099-1018(200011/12)24:6<277::AID-FAM746>3.0.CO;2-A ↗
66. 10.1016/j.jpowsour.2006.07.07410.1016/j.jpowsour.2006.07.074 ↗
67. 10.1016/j.jhazmat.2018.11.09310.1016/j.jhazmat.2018.11.093 ↗
68. 10.1002/slct.20190201310.1002/slct.201902013 ↗
69. 10.1021/nl100603610.1021/nl1006036 ↗
70. 10.1016/j.jpowsour.2007.04.08810.1016/j.jpowsour.2007.04.088 ↗
71. 10.1016/S0378-7753(03)00225-810.1016/S0378-7753(03)00225-8 ↗
72. 10.1149/1.199338910.1149/1.1993389 ↗
73. 10.1016/S0378-7753(03)00259-310.1016/S0378-7753(03)00259-3 ↗
74. 10.1016/j.jpowsour.2004.11.04210.1016/j.jpowsour.2004.11.042 ↗
75. 10.1149/1.149966910.1149/1.1499669 ↗
76. 10.1016/j.jpowsour.2019.02.03710.1016/j.jpowsour.2019.02.037 ↗
77. 10.1039/C8TA01236A10.1039/C8TA01236A ↗
78. 10.1149/2.059211jes10.1149/2.059211jes ↗
79. 10.1016/j.jpowsour.2010.12.05110.1016/j.jpowsour.2010.12.051 ↗
80. 10.1149/2.058208jes10.1149/2.058208jes ↗
81. 10.1149/2.053209jes10.1149/2.053209jes ↗
82. 10.1149/2.081212jes10.1149/2.081212jes ↗
83. 10.1021/jp109562u10.1021/jp109562u ↗
84. 10.1016/j.jpowsour.2010.08.08510.1016/j.jpowsour.2010.08.085 ↗
85. 10.1016/j.electacta.2011.06.09510.1016/j.electacta.2011.06.095 ↗
86. 10.1007/s10973-005-0079-x10.1007/s10973-005-0079-x ↗
87. 10.1007/s12039-009-0039-210.1007/s12039-009-0039-2 ↗
88. 10.1016/j.electacta.2012.09.06510.1016/j.electacta.2012.09.065 ↗
89. 10.1016/j.electacta.2013.12.18310.1016/j.electacta.2013.12.183 ↗
90. 10.1149/1.143374910.1149/1.1433749 ↗
91. 10.1016/S0378-7753(01)00805-910.1016/S0378-7753(01)00805-9 ↗
92. 10.1016/S0167-2738(02)00088-710.1016/S0167-2738(02)00088-7 ↗
93. 10.1149/1.161426910.1149/1.1614269 ↗
94. 10.1016/j.jpowsour.2009.02.01010.1016/j.jpowsour.2009.02.010 ↗
95. 10.1246/cl.2005.101210.1246/cl.2005.1012 ↗
96. 10.1016/j.jpowsour.2014.11.14010.1016/j.jpowsour.2014.11.140 ↗
97. 10.1002/aenm.20170139810.1002/aenm.201701398 ↗
98. 10.1149/2.1031605jes10.1149/2.1031605jes ↗
99. 10.1149/2.0011810jes10.1149/2.0011810jes ↗
100. 10.1149/1.153304010.1149/1.1533040 ↗