Дослідження літій-іонних акумуляторів почалося з концепції батареї крісла-гойдалки, запропонованої Armand та ін. у 1972 році. Комерціалізація почалася з літій-кобальт-оксидної батареї, випущеної компанією SONY у 1991 році. Після більш ніж 30 років ітераційних оновлень вона була зріло застосована в споживчих електронних продуктах, електроінструментах та інших ринках акумуляторів малої ємності показали широке застосування значення в електричних транспортних засобах, накопиченні енергії, зв’язку, національній обороні, аерокосмічній галузі та інших галузях, які потребують обладнання для зберігання енергії великої ємності.

Проте з моменту народження літій-іонних батарей безпека завжди була важливою проблемою, яка обмежувала сценарії їх використання. Ще в 1987 році канадська компанія Moli Energy випустила першу комерційну літій-металеву батарею на основі металевого літієвого негативного електрода та позитивного електрода MoS2. Наприкінці весни 1989 року батарея зазнала низки вибухів, що безпосередньо призвело до банкрутства компанії, а також спонукало промисловість звернутись до розробки літій-іонних батарей, які використовують інтеркаляційні сполуки як аноди більш стабільні. Після того, як літій-іонні батареї вийшли на сферу споживчої електроніки, було багато масштабних планів відкликання через небезпеку пожежі. У 2016 році мобільний телефон Samsung Note7 у Південній Кореї зазнав багатьох пожеж і вибухів по всьому світу, на додаток до глобального плану відкликання. Крім того, «безпека літієвих батарей» знову стала соціальною темою, що викликає широке занепокоєння. У сфері електротранспорту кількість нещасних випадків, пов’язаних із використанням акумуляторних батарей, поступово зростає разом із збільшенням продажів нових транспортних засобів. Згідно зі статистичними даними, у 2021 році в Китаї буде зареєстровано понад 200 пожеж і аварій згоряння електромобілів, і безпека електромобілів стала проблемою для споживачів. І одне з найбільш хвилюючих питань для компаній, що займаються електромобілями. У сфері зберігання енергії з 2017 по 2021 рік у Південній Кореї сталося понад 30 аварій на електростанціях зберігання енергії. Вибух на електростанції зберігання енергії в Пекіні Dahongmen 16 квітня 2021 рік спричинив згоряння всієї електростанції, а також спричинив жертви двох пожежників, 1 працівник зник безвісти. Зі збільшенням масштабів застосування літій-іонних батарей їхня безпека викликала широкі дискусії та дослідження як у промисловості, так і в наукових колах.

На ранній стадії розробки літієвих батарей промисловість і наукові кола приділяли більше уваги основним причинам нещасних випадків, пов’язаних з безпекою літієвих батарей. На основі тривалого накопичення знань характер нещасних випадків, пов’язаних з безпекою літієвих батарей, можна підсумувати наступним чином: батарея перезаряджена, перегріта, зіткнена. Температура аномально підвищується за ненормальних умов використання, таких як коротке замикання тощо, що викликає низка внутрішніх хімічних реакцій, що призводять до виділення газу, диму та відкриття запобіжного клапана. Коли це відбувається, температура батареї швидко та неконтрольовано підвищується, викликаючи займання або вибух, що призводить до серйозної аварії. Цей процес також відомий як «теплова втеча» батареї.

З широким застосуванням літій-іонних акумуляторів дослідження безпеки літій-іонних акумуляторів поступово поглиблюються. Від простого опису явищ і якісних прогнозів у перші дні він розвинувся у вивчення механізмів безпеки в різних масштабах і методах, заснованих на точних вимірюваннях і цифровій моделі, яка точно передбачає ефективність безпеки батареї, і, нарешті, пропонує комплексну стратегію дослідження для прикладних розчинів. Як показано на малюнку 3, поточні дослідження безпеки батареї зазвичай починаються з розуміння термічної поведінки елементів літій-іонної батареї, включно з використанням різних умов неправильного використання для визначення межі безпечного використання та ефективності відмови батареї,

1 Дослідження термічної стійкості матеріалів
Основною причиною теплової розбіжності в літій-іонних батареях є нестабільність матеріалів батареї за певних умов, що призводить до неконтрольованої екзотермічної реакції. Серед комерціалізованих на даний момент акумуляторних матеріалів найбільш тісно пов’язані з безпекою заряджені (делітовані) позитивний електрод з оксиду перехідного металу, заряджений (інтеркальований літієм) графітовий негативний електрод, карбонатні електроліти та сепаратори. Перші три нестійкі при високій температурі та взаємодіють один з одним, виділяючи велику кількість тепла за короткий проміжок часу, тоді як полімерні сепаратори, які зараз широко використовуються, плавляться та стискаються при 140-150 °C, що призводить до позитивного та негативні електроди в акумуляторі. Контактна, швидка тепловіддача у вигляді внутрішнього короткого замикання. З кінця 20 ст. Дослідники провели багато досліджень термічної стабільності матеріалів і розробили метод дослідження, який використовує термічний аналіз для розуміння термічної поведінки матеріалів і поєднує характеристику морфології, структури, елементного складу та валентності для всебічного вивчення внутрішніх механізм. Нещодавній розвиток обчислювальної матеріалознавства також надав нові методи та засоби для прогнозування стабільності матеріалів на основі симуляції в атомному масштабі.

1.1 Метод термічного аналізу
Термічний аналіз є найбільш прямим та інтуїтивно зрозумілим методом розуміння теплової поведінки матеріалів. Це стосується типу технології, яка вимірює зв’язок між певною фізичною властивістю матеріалу та температурою або часом за певної програмно контрольованої температури (і певної атмосфери). Для матеріалів акумулятора, як правило, розглядається зв’язок між масою, складом, ендотермічною та екзотермічною поведінкою з температурою. Співвідношення між масою та температурою можна отримати за допомогою термогравіметричного аналізу (TGA або TG), а співвідношення між ендотермічним теплом і температурою можна отримати за допомогою диференціальної скануючої калориметрії (диференціальної скануючої калориметрії, ДСК). TG і DSC можуть бути розроблені в одночасному тестуванні в одному приладі, цей метод також відомий як одночасний термічний аналіз (simultaneous termical analysis, STA). Такі прилади, як TG, DSC і STA, зазвичай використовують лінійну програму нагрівання та записують масові, ендотермічні та екзотермічні зміни зразка за допомогою теплових балансів, датчиків теплового потоку тощо. Через ранній час розробки технологія та обладнання для тестування інженерний рівень є відносно зрілим, і це стало матеріалом для розуміння. Один з найважливіших тестів на стабільність. і це стало матеріалом для розуміння. Один з найважливіших тестів на стабільність. і це стало матеріалом для розуміння. Один з найважливіших тестів на стабільність.

За результатами термічного аналізу можна визначити початкову температуру, кількість реакції та тепловиділення фазового переходу, розкладання або хімічної реакції матеріалу, але в літій-іонних акумуляторах стабільність і реакційна теплота зарядженого матеріалу в середовищі електроліту часто більше стурбовані. . Хороша термічна стабільність є необхідною умовою для використання матеріалів батареї, тоді як виділення тепла та швидкість виділення тепла впливають на серйозність теплового розбігу батареї. Тиглі, які використовуються для звичайних зразків термічного аналізу, як правило, виготовлені з відкритого оксиду алюмінію або металевого алюмінію з відкритими порами. Для дослідження теплових характеристик матеріалів у летких електролітах необхідно використовувати саморобні або спеціально надані виробниками обладнання герметичні ємності.

На додаток до DSC і TG існує також спеціальний метод термічного аналізу, який використовує прискорювальний калориметр (accelerating rate colorimeter, ARC) для вивчення температури початку реакції.

1.2 Технологія фазового аналізу
У процесі нагрівання матеріалів акумулятора відбуваються фазові переходи та хімічні реакції, при цьому може змінюватися їх морфологія, структура, склад і валентний стан елементів. Ці зміни необхідно охарактеризувати та аналізувати на основі відповідних методів, таких як скануючий електронний мікроскоп (скануючий електронний мікроскоп), SEM), щоб спостерігати за морфологічними змінами матеріалів до та після термічного розкладання, а також використовувати рентгенівську дифракцію та спектроскопію для вивчення структура матеріалу та еволюція валентності елементів. Завдяки значним кінетичним ефектам термічного розкладання матеріалу та теплових реакцій випробування на місці під час нагрівання можуть мінімізувати реальний процес зміни фази. В даний час існує два основних типи зрілих методів визначення характеристик на місці: один - це мас-спектрометрія (МС) та інфрачервона спектроскопія (ІЧ). які використовуються разом із приладами термічного аналізу, які можуть контролювати типи газів, що утворюються в результаті розкладання речовин, у режимі реального часу. , судити про зміну хімічного складу в процесі нагрівання матеріалу; Інший тип – дифракція рентгенівських променів in situ (XRD), за допомогою спеціального столика для зразків, структурні зміни матеріалу можна виміряти в режимі реального часу та на місці під час процесу нагрівання. В даний час більшість світових джерел світла синхротронного випромінювання а деякі рентгенівські дифрактометри лабораторного рівня можуть проводити XRD-тести зі змінною температурою на місці.

1.3 Обчислювальне матеріалознавство
Обчислювальне передбачення всіх властивостей матеріалів на основі їхніх атомних структур є основним завданням вчених-обчислювальних матеріалів. Термодинамічну стабільність матеріалу можна розрахувати на основі теорії функціоналу густини (DFT). Основою для судження про стабільність матеріалів у DFT є те, чи різниця енергії ΔE до та після реакції менша за 0. Якщо ΔE менше за 0, реакція може відбутися, а реагенти будуть нестабільними, і навпаки. Загалом розрив між теоретичною технологією моделювання та експериментальною технологією на матеріальному рівні ще далекий від сучасного етапу, що потребує постійних зусиль дослідників.

2 Дослідження термічної безпеки клітини
Елемент батареї відноситься до елемента батареї, який є основним блоком пристрою, який перетворює хімічну енергію та електричну енергію одна в одну, зазвичай включаючи електроди, сепаратори, електроліти, корпуси та клеми. Характеристики термобезпеки елементів є одним із найбільш занепокоєних питань у виробництві акумуляторів. Це концентроване вираження термічної стабільності матеріалів акумуляторів і основа для розробки великомасштабних стратегій раннього попередження та захисту систем безпеки акумуляторів. Через внутрішню структуру клітини її безпека демонструватиме деякі характеристики, які не обговорюються в дослідженнях чистого матеріалу, що робить безпеку клітини ширшого розширення та розуміння.