Forskningen på litium-ion-batterier begynte med gyngestolbatterikonseptet foreslått av Armand et al. i 1972. Kommersialiseringen begynte med litium-koboltoksidbatteriet som ble lansert av SONY i 1991. Etter mer enn 30 år med iterative oppgraderinger, har det blitt brukt på forbrukerelektronikk, elektroverktøy og andre batterimarkeder med liten kapasitet har vist stor anvendelse verdi innen elektriske kjøretøy, energilagring, kommunikasjon, nasjonalt forsvar, romfart og andre felt som krever energilagringsutstyr med stor kapasitet.

Men siden fødselen av litium-ion-batterier har sikkerhet alltid vært et viktig problem som begrenser bruksscenariene deres. Allerede i 1987 lanserte det kanadiske selskapet Moli Energy det første kommersielle litiummetallbatteriet basert på den negative metallelektroden litium og den positive MoS2-elektroden. Batteriet ble utsatt for en rekke eksplosjoner på slutten av våren 1989, som direkte førte til selskapets konkurs og også førte til at industrien vendte seg mot utviklingen av litium-ion-batterier som bruker interkaleringsforbindelser som anoder mer stabilt. Etter at litium-ion-batterier kom inn i forbrukerelektronikk, har det vært mange store tilbakekallingsplaner på grunn av batteribrannfare. I 2016 led Samsungs Note7-mobiltelefon i Sør-Korea mange branner og eksplosjoner rundt om i verden, i tillegg til å forårsake en global tilbakekallingsplan. I tillegg har «Lithium battery safety» igjen blitt et sosialt tema med utbredt bekymring. Innen elektrisk transport har sikkerhetsulykkene med strømbatterier gradvis økt sammen med økningen i salget av nye energikjøretøyer. I følge statistikk vil det være mer enn 200 elektriske kjøretøybranner og forbrenningsulykker rapportert i Kina i 2021, og sikkerheten til elektriske kjøretøy har blitt et forbrukerproblem. Og en av de mest bekymrede problemene for elbilselskaper. Innen energilagring skjedde det mer enn 30 kraftstasjonsulykker i Sør-Korea fra 2017 til 2021. Eksplosjonsulykken i Beijing Dahongmen energilagringskraftverk 16. april, 2021 førte til at hele kraftstasjonen brant ned og forårsaket også ofring av 2 brannmenn, 1 ansatt er savnet. Med de økende bruksscenarioene for litium-ion-batterier, har deres sikkerhet utløst omfattende diskusjoner og forskning i både industri og akademia.

I det tidlige stadiet av utviklingen av litiumbatterier ga industrien og akademia mer oppmerksomhet til de vesentlige årsakene til sikkerhetsulykker i litiumbatterier. Basert på langsiktig akkumulering av kunnskap kan arten av sikkerhetsulykker i litiumbatterier oppsummeres som følger: batteriet er overladet, overopphetet, påvirket Temperaturen stiger unormalt under unormale bruksforhold som kortslutning osv., noe som utløser en serie av interne kjemiske reaksjoner, som får batteriet til å gasse, røyke og sikkerhetsventilen åpnes. Når det oppstår, stiger temperaturen på batteriet raskt og ukontrollert, noe som forårsaker forbrenning eller eksplosjon, noe som resulterer i en alvorlig sikkerhetsulykke. Denne prosessen er også kjent som den "termiske runaway" av batteriet.

Med den brede anvendelsen av litium-ion-batterier, har forskningen på sikkerheten til litium-ion-batterier gradvis blitt dypere. Fra den enkle beskrivelsen av fenomener og kvalitative spådommer i de første dagene, har den utviklet seg til å studere sikkerhetsmekanismer på flere skalaer og metoder, basert på nøyaktig måling og Den numeriske modellen forutsier nøyaktig batterisikkerhetsytelse, og foreslår til slutt en omfattende forskningsstrategi. for anvendte løsninger. Som vist i figur 3, starter den nåværende forskningen på batterisikkerhet generelt fra å forstå den termiske oppførselen til litium-ion-battericeller, inkludert bruk av forskjellige misbruksforhold for å bestemme sikker bruksgrensen og feilytelsen til batteriet,

1 Forskning på termisk stabilitet av materialer
Grunnårsaken til termisk løping i litium-ion-batterier er at materialene i batteriet er ustabile under visse forhold, noe som resulterer i en ukontrollerbar eksoterm reaksjon. Blant de for tiden kommersialiserte batterimaterialene er de som er mest knyttet til sikkerhet den ladede (delithiated) overgangsmetalloksid positive elektroden, den ladede (litium intercalated) grafitt negative elektrode, karbonatelektrolytter og separatorer. De tre første er ustabile ved høy temperatur og samhandler med hverandre, og frigjør en stor mengde varme i løpet av kort tid, mens de for tiden ofte brukte polymerseparatorene vil smelte og krympe ved 140-150 °C, noe som resulterer i positive og negative elektroder i batteriet. Kontakt, rask varmeavledning i form av en intern kortslutning. Siden slutten av det 20. århundre, forskere har utført mye forskning på den termiske stabiliteten til materialer, og utviklet en forskningsmetode som bruker termisk analyse for å forstå den termiske oppførselen til materialer, og kombinerer karakteriseringen av morfologi, struktur, elementsammensetning og valens for å studere den interne mekanisme. Den nylige utviklingen av databasert materialvitenskap har også gitt nye metoder og midler for å forutsi stabiliteten til materialer fra simuleringer i atomskala.

1.1 Termisk analysemetode
Termisk analyse er den mest direkte og intuitive metoden for å forstå den termiske oppførselen til materialer. Det refererer til en type teknologi som måler forholdet mellom en viss fysisk egenskap ved et materiale og temperatur eller tid under en viss programkontrollert temperatur (og en viss atmosfære). For batterimaterialer er forholdet mellom masse, sammensetning og endoterm og eksoterm oppførsel med temperatur generelt bekymret. Forholdet mellom masse og temperatur kan oppnås ved termogravimetrisk analyse (TGA eller TG), og forholdet mellom endoterm varme og temperatur kan oppnås ved differensiell skanningkalorimetri (differensiell skanningskalorimetri, DSC). TG og DSC kan designes i samtidig testing i samme instrument, denne metoden er også kjent som simultan termisk analyse (samtidig termisk analyse, STA). Instrumenter som TG, DSC og STA bruker vanligvis et lineært oppvarmingsprogram, og registrerer massen, endoterme og eksoterme endringer av prøven gjennom termiske balanser, varmestrømssensorer osv. På grunn av den tidlige utviklingstiden, testingsteknologien og utstyret ingeniørnivå er relativt modent, og det har blitt et materiale for forståelse. En av de viktigste testene for stabilitet. og det har blitt et materiale for forståelse. En av de viktigste testene for stabilitet. og det har blitt et materiale for forståelse. En av de viktigste testene for stabilitet.

Basert på resultatene av termisk analyse kan starttemperaturen, reaksjonsmengden og varmeavgivelsen av faseovergangen, dekomponeringen eller kjemisk reaksjon av materialet bestemmes, men i litiumionbatterier kan stabiliteten og reaksjonsvarmen til det ladede materialet bestemmes. i elektrolyttmiljøet er ofte mer bekymret. . God termisk stabilitet er en nødvendig forutsetning for at batterimaterialer skal komme inn i applikasjoner, mens varmeutvikling og varmegenereringshastighet påvirker alvorlighetsgraden av batteriets termiske løp. Diglene som brukes til konvensjonelle termiske analyseprøver er vanligvis laget av åpent aluminiumoksyd eller aluminiummetall med åpne porer. For å studere den termiske ytelsen til materialer i flyktige elektrolytter, er det nødvendig å bruke selvlagde eller spesielt forseglede beholdere av utstyrsprodusenter.

I tillegg til DSC og TG finnes det også en spesiell termisk analysemetode som bruker akselerasjonskalorimeter (akselerasjonshastighetskolorimeter, ARC) for å studere starttemperaturen til reaksjonen.

1.2 Faseanalyseteknologi
Under oppvarmingsprosessen av batterimaterialer oppstår faseoverganger og kjemiske reaksjoner, og deres morfologi, struktur, sammensetning og elementvalenstilstand kan endres. Disse endringene må karakteriseres og analyseres basert på tilsvarende metoder, for eksempel skanningselektronmikroskop (skanningelektronmikroskop), SEM) for å observere de morfologiske endringene av materialene før og etter termisk nedbrytning, og bruke røntgendiffraksjon og spektroskopi for å studere den materielle strukturen og elementvalensutviklingen. På grunn av de betydelige kinetiske effektene av termisk dekomponering av materialet og termiske reaksjoner, kan in situ testing under oppvarming minimere den virkelige prosessen med faseendring. For tiden er det to hovedtyper av modne in-situ karakteriseringsteknikker: den ene er massespektrometri (MS) og infrarød spektroskopi (IR), som brukes i serie med termiske analyseinstrumenter, som kan overvåke hvilke typer gasser som genereres ved nedbryting av stoffer i sanntid. , for å bedømme endringen av kjemisk sammensetning under oppvarmingsprosessen av materialet; den andre typen er in situ røntgendiffraksjon (XRD), gjennom et spesielt prøvetrinn kan den strukturelle endringen av materialet måles i sanntid og in situ under oppvarmingsprosessen. For tiden er de fleste av verdens synkrotronstrålingslyskilder og noen røntgendiffraktometre på laboratorienivå kan realisere XRD-tester med variabel temperatur på stedet.

1.3 Computational Materials Science
Computational prediksjon av alle egenskaper til materialer basert på deres atomstruktur er den ultimate jakten på datamaterialeforskere. Den termodynamiske stabiliteten til et materiale kan beregnes basert på tetthetsfunksjonsteori (DFT). Grunnlaget for å bedømme stabiliteten til materialer i DFT er om energiforskjellen ΔE før og etter reaksjonen er mindre enn 0. Hvis ΔE er mindre enn 0, kan reaksjonen oppstå, og reaktantene er ustabile, og omvendt. Generelt er gapet mellom den teoretiske simuleringsteknologien og den eksperimentelle teknologien på materialnivå fortsatt langt fra dagens stadium, noe som krever kontinuerlig innsats fra forskere.

2 Forskning på termisk sikkerhet for celle
En battericelle refererer til en battericelle, som er en grunnleggende enhet som konverterer kjemisk energi og elektrisk energi til hverandre, vanligvis inkludert elektroder, separatorer, elektrolytter, foringsrør og terminaler. De termiske sikkerhetsegenskapene til celler er en av de mest bekymrede innholdene i batteriindustrien. Det er det konsentrerte uttrykket for den termiske stabiliteten til batterimaterialer og grunnlaget for utvikling av storskala batterisystemsikkerhetsstrategier for tidlig varsling og beskyttelse. På grunn av den interne strukturen til cellen vil dens sikkerhet vise noen egenskaper som ikke er diskutert i ren materialforskning, noe som gjør at sikkerheten til cellen har en bredere utvidelse og forståelse.