Die Forschung an Lithium-Ionen-Batterien begann mit dem von Armand et al. im Jahr 1972. Die Kommerzialisierung begann mit der Lithium-Kobaltoxid-Batterie, die 1991 von SONY auf den Markt gebracht wurde. Nach mehr als 30 Jahren iterativer Upgrades wurde sie ausgereift auf Unterhaltungselektronikprodukte, Elektrowerkzeuge und andere Märkte für Batterien mit geringer Kapazität angewendet Wert in Elektrofahrzeugen, Energiespeicherung, Kommunikation, Landesverteidigung, Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen, die Energiespeichergeräte mit großer Kapazität erfordern.

Seit der Geburtsstunde von Lithium-Ionen-Batterien war die Sicherheit jedoch immer ein wichtiges Thema, das ihre Verwendungsszenarien einschränkte. Bereits 1987 brachte das kanadische Unternehmen Moli Energy die erste kommerzielle Lithium-Metall-Batterie auf Basis der negativen Metall-Lithium-Elektrode und der positiven MoS2-Elektrode auf den Markt. Die Batterie erlitt im späten Frühjahr 1989 eine Reihe von Explosionen, die direkt zum Konkurs des Unternehmens führten und auch dazu führten, dass sich die Industrie der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zuwandte, die Interkalationsverbindungen als stabilere Anoden verwenden. Nachdem Lithium-Ionen-Batterien in den Bereich der Unterhaltungselektronik eingedrungen sind, gab es viele groß angelegte Rückrufpläne aufgrund von Batteriebrandgefahren. Im Jahr 2016 erlitt das Mobiltelefon Note7 von Samsung in Südkorea viele Brände und Explosionen auf der ganzen Welt. zusätzlich zu einem globalen Rückrufplan. Darüber hinaus ist die „Sicherheit von Lithium-Batterien“ wieder zu einem gesellschaftlichen Thema geworden, das viele Menschen beschäftigt. Auf dem Gebiet des elektrischen Transports haben die Sicherheitsunfälle von Power-Batterien zusammen mit dem Anstieg der Verkäufe von Fahrzeugen mit neuer Energie allmählich zugenommen. Laut Statistik werden in China im Jahr 2021 mehr als 200 Brände und Verbrennungsunfälle von Elektrofahrzeugen gemeldet, und die Sicherheit von Elektrofahrzeugen ist zu einem Verbraucheranliegen geworden. Und eines der am meisten betroffenen Probleme für Elektrofahrzeugunternehmen. Im Bereich der Energiespeicherung ereigneten sich in Südkorea von 2017 bis 2021 mehr als 30 Unfälle in Energiespeicherkraftwerken. Der Explosionsunfall des Energiespeicherkraftwerks Beijing Dahongmen am 16. 2021 brannte das gesamte Kraftwerk ab und opferte auch 2 Feuerwehrleute, 1 Mitarbeiter wird vermisst. Mit den zunehmenden Anwendungsszenarien von Lithium-Ionen-Batterien hat ihre Sicherheit umfangreiche Diskussionen und Forschungen in Industrie und Wissenschaft ausgelöst.

In der frühen Phase der Entwicklung von Lithiumbatterien widmeten Industrie und Wissenschaft den wesentlichen Ursachen von Sicherheitsunfällen bei Lithiumbatterien mehr Aufmerksamkeit. Basierend auf langjährigem Wissen kann die Art der Sicherheitsunfälle bei Lithiumbatterien wie folgt zusammengefasst werden: Die Batterie wird überladen, überhitzt, geschlagen. Die Temperatur steigt unter anormalen Verwendungsbedingungen wie Kurzschluss usw Reihe interner chemischer Reaktionen, die dazu führen, dass die Batterie gast, raucht und sich das Sicherheitsventil öffnet. Wenn dies auftritt, steigt die Temperatur der Batterie schnell und unkontrolliert an, was zu einer Verbrennung oder Explosion führt, was zu einem schweren Sicherheitsunfall führt. Dieser Vorgang wird auch als „Thermal Runaway“ der Batterie bezeichnet.

Mit der breiten Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien hat sich die Forschung zur Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien allmählich vertieft. Von der einfachen Beschreibung von Phänomenen und qualitativen Vorhersagen in den Anfängen hat es sich zur Untersuchung von Sicherheitsmechanismen auf mehreren Skalen und Methoden entwickelt, die auf genauen Messungen und Methoden basieren. Das numerische Modell sagt die Sicherheitsleistung von Batterien genau voraus und schlägt schließlich eine umfassende Forschungsstrategie vor für angewandte Lösungen. Wie in Abbildung 3 gezeigt, beginnt die aktuelle Forschung zur Batteriesicherheit im Allgemeinen mit dem Verständnis des thermischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batteriezellen, einschließlich der Verwendung verschiedener Missbrauchsbedingungen, um die sichere Verwendungsgrenze und das Ausfallverhalten der Batterie zu bestimmen.

1 Forschung zur thermischen Stabilität von Materialien
Die Hauptursache für thermisches Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien ist, dass die Materialien in der Batterie unter bestimmten Bedingungen instabil sind, was zu einer unkontrollierbaren exothermen Reaktion führt. Unter den gegenwärtig kommerzialisierten Batteriematerialien sind diejenigen, die am engsten mit der Sicherheit verbunden sind, die positive Elektrode aus geladenem (delithiiertem) Übergangsmetalloxid, die negative Elektrode aus geladenem (mit Lithium interkaliertem) Graphit, Carbonatelektrolyte und Separatoren. Die ersten drei sind bei hohen Temperaturen instabil und interagieren miteinander, wobei sie in kurzer Zeit eine große Menge Wärme freisetzen, während die derzeit üblicherweise verwendeten Polymerseparatoren bei 140-150 °C schmelzen und schrumpfen, was zu positiven und negative Elektroden in der Batterie. Kontakt, schnelle Wärmeabfuhr in Form eines inneren Kurzschlusses. Seit Ende des 20. Jahrhunderts Forscher haben viele Untersuchungen zur thermischen Stabilität von Materialien durchgeführt und eine Forschungsmethode entwickelt, die die thermische Analyse verwendet, um das thermische Verhalten von Materialien zu verstehen, und die Charakterisierung von Morphologie, Struktur, Elementzusammensetzung und Wertigkeit kombiniert, um das Innere umfassend zu untersuchen Mechanismus. Die jüngste Entwicklung der computergestützten Materialwissenschaften hat auch neue Methoden und Mittel zur Vorhersage der Stabilität von Materialien aus Simulationen im atomaren Maßstab bereitgestellt.

1.1 Thermisches Analyseverfahren
Die thermische Analyse ist die direkteste und intuitivste Methode, um das thermische Verhalten von Materialien zu verstehen. Es bezieht sich auf eine Art von Technologie, die die Beziehung zwischen einer bestimmten physikalischen Eigenschaft eines Materials und der Temperatur oder Zeit unter einer bestimmten programmgesteuerten Temperatur (und einer bestimmten Atmosphäre) misst. Bei Batteriematerialien geht es im Allgemeinen um die Beziehung zwischen Masse, Zusammensetzung und endothermem und exothermem Verhalten mit der Temperatur. Der Zusammenhang zwischen Masse und Temperatur kann durch thermogravimetrische Analyse (TGA oder TG) und der Zusammenhang zwischen endothermer Wärme und Temperatur durch Differential Scanning Calorimetry (Differential Scanning Calorimetry, DSC) erhalten werden. TG und DSC können in simultanen Tests im selben Instrument entworfen werden, dieses Verfahren wird auch als simultane thermische Analyse (simultaneous thermal analysis, STA) bezeichnet. Geräte wie TG, DSC und STA verwenden in der Regel ein lineares Heizprogramm und erfassen die Massen-, endothermen und exothermen Änderungen der Probe durch Wärmewaagen, Wärmeflusssensoren usw. Aufgrund der frühen Entwicklungszeit sind die Prüftechnologie und -ausrüstung Engineering-Niveau sind relativ ausgereift, und es ist zu einem Material für das Verständnis geworden. Einer der wichtigsten Stabilitätstests. und es ist zu einem Material für das Verständnis geworden. Einer der wichtigsten Stabilitätstests. und es ist zu einem Material für das Verständnis geworden. Einer der wichtigsten Stabilitätstests.

Basierend auf den Ergebnissen der thermischen Analyse können die Anfangstemperatur, Reaktionsmenge und Wärmefreisetzung des Phasenübergangs, der Zersetzung oder der chemischen Reaktion des Materials bestimmt werden, aber in Lithium-Ionen-Batterien die Stabilität und Reaktionswärme des geladenen Materials in der Elektrolytumgebung sind oft eher betroffen. . Eine gute thermische Stabilität ist eine notwendige Bedingung für Batteriematerialien, um Anwendungen zu finden, während die Wärmeerzeugung und die Wärmeerzeugungsrate die Schwere des thermischen Durchgehens der Batterie beeinflussen. Die für konventionelle thermische Analyseproben verwendeten Tiegel bestehen im Allgemeinen aus offener Tonerde oder offenporigem Aluminiummetall. Um die thermische Leistung von Materialien in flüchtigen Elektrolyten zu untersuchen, ist es notwendig, selbst hergestellte oder speziell bereitgestellte versiegelte Behälter von Geräteherstellern zu verwenden.

Neben DSC und TG gibt es auch ein spezielles thermisches Analyseverfahren, bei dem mittels Beschleunigungskalorimeter (accelerating rate colorimeter, ARC) die Starttemperatur der Reaktion untersucht wird.

1.2 Phasenanalysetechnologie
Während des Erwärmungsprozesses von Batteriematerialien treten Phasenübergänge und chemische Reaktionen auf, und ihre Morphologie, Struktur, Zusammensetzung und Elementwertigkeitsstufe können sich ändern. Diese Veränderungen müssen anhand entsprechender Methoden charakterisiert und analysiert werden, wie z. B. Rasterelektronenmikroskopie (Rasterelektronenmikroskopie), REM), um die morphologischen Veränderungen der Materialien vor und nach der thermischen Zersetzung zu beobachten, sowie mittels Röntgenbeugung und Spektroskopie zu untersuchen die Materialstruktur und die Valenzentwicklung der Elemente. Aufgrund der erheblichen kinetischen Effekte der thermischen Materialzersetzung und der thermischen Reaktionen kann das In-situ-Testen während des Erhitzens den tatsächlichen Prozess der Phasenänderung minimieren. Gegenwärtig gibt es zwei Haupttypen ausgereifter In-situ-Charakterisierungstechniken: Massenspektrometrie (MS) und Infrarotspektroskopie (IR), die in Reihe mit Thermoanalysegeräten verwendet werden, die die Arten von Gasen, die durch die Zersetzung von Substanzen entstehen, in Echtzeit überwachen können. , um die Änderung der chemischen Zusammensetzung während des Erwärmungsprozesses des Materials zu beurteilen; Die andere Art ist die In-situ-Röntgenbeugung (XRD). Durch einen speziellen Probentisch kann die Strukturänderung des Materials in Echtzeit und in situ während des Erwärmungsprozesses gemessen werden. Derzeit sind die meisten Synchrotronstrahlungslichtquellen weltweit und einige Röntgendiffraktometer auf Laborebene können XRD-Tests mit variabler Temperatur in situ durchführen.

1.3 Computational Materials Science
Die computergestützte Vorhersage aller Eigenschaften von Materialien auf der Grundlage ihrer atomaren Strukturen ist das ultimative Streben von Computermaterialwissenschaftlern. Die thermodynamische Stabilität eines Materials kann auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechnet werden. Die Grundlage für die Beurteilung der Stabilität von Materialien in DFT ist, ob die Energiedifferenz ΔE vor und nach der Reaktion kleiner als 0 ist. Wenn ΔE kleiner als 0 ist, kann die Reaktion stattfinden und die Reaktanten sind instabil und umgekehrt. Im Allgemeinen ist die Kluft zwischen der theoretischen Simulationstechnologie und der experimentellen Technologie auf Materialebene noch weit vom aktuellen Stadium entfernt, was die kontinuierlichen Bemühungen der Forscher erfordert.

2 Forschung zur thermischen Sicherheit der Zelle
Eine Batteriezelle bezieht sich auf eine Batteriezelle, bei der es sich um eine Grundeinheit handelt, die chemische Energie und elektrische Energie ineinander umwandelt und normalerweise Elektroden, Separatoren, Elektrolyte, Gehäuse und Anschlüsse umfasst. Die thermischen Sicherheitseigenschaften von Zellen sind einer der wichtigsten Punkte in der Batterieindustrie. Es ist der konzentrierte Ausdruck der thermischen Stabilität von Batteriematerialien und die Grundlage für die Entwicklung groß angelegter Sicherheitsfrühwarn- und Schutzstrategien für Batteriesysteme. Aufgrund der inneren Struktur der Zelle weist ihre Sicherheit einige Eigenschaften auf, die in der reinen Materialforschung nicht diskutiert werden, wodurch die Sicherheit der Zelle eine breitere Ausdehnung und ein breiteres Verständnis erhält.