2.1 Missbrauchstests
Die International Electrotechnical Commission (IEC), Underwriters Laboratories (UL) und die Japan Battery Association (JSBA) haben ursprünglich den Abnutzungstest für Zellen der Unterhaltungselektronik definiert und die extremen Bedingungen simuliert, denen Zellen beim Betrieb ausgesetzt sein können, normalerweise unterteilt in thermische Abnutzung, elektrische und mechanischer Missbrauch. Der übliche thermische Missbrauch ist der Hot-Box-Test, der elektrische Missbrauch umfasst Überladungs- und externe Kurzschlussexperimente und der mechanische Missbrauch umfasst Akupunktur, Extrusion, Schock und Vibration. Unternehmens- und Industriestandards beschreiben im Allgemeinen die Reaktion einer Batterie auf Missbrauchstests als keine Veränderung, undicht, brennen, explodieren usw. Temperatur-, Gas- und Spannungsreaktionen auf Missbrauch können ebenfalls auf der Grundlage zusätzlicher Sensoren und Erkennungssysteme aufgezeichnet werden. Der Standard für die Batterie, um den Missbrauchstest zu bestehen, ist, dass sie nicht brennt oder explodiert. Da der Missbrauchstest auf kommerzielle Fertigzellen und realitätsnahe Einsatzbedingungen abzielt, handelt es sich derzeit eher um einen Sicherheitsteststandard für die Batterieindustrie als um eine Forschungsmethode.

2.2 EV-ARC-Test
Die frühe ARC war nur dazu geeignet, das thermische Runaway-Verhalten einer kleinen Anzahl von Materialproben zu untersuchen. Feng et al. entwickelten eine Methode zur Verwendung von EV-ARC zur Untersuchung des adiabatischen thermischen Durchgehens von großvolumigen Zellen. Das Prinzip und die Schlussfolgerung der Forschungsmethode sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Heizkammer des ARC ist größer, daher sind eine präzisere Temperaturregelungstechnologie und ein strengeres Kalibrierungsschema erforderlich. Basierend auf dem EV-ARC-Test können die charakteristischen Temperaturen T1, T2 und T3 des thermischen Durchgehens der Zelle quantitativ kalibriert werden, entsprechend der Starttemperatur der Eigenerwärmung der Zelle, der Starttemperatur des thermischen Durchgehens der Zelle bzw. der maximalen Temperatur der Zelle. Sicherheit bietet einen genaueren und quantitativen Bewertungsindex. Standardisierte Testbedingungen können dazu beitragen, eine einheitliche und zuverlässige Datenbank zum thermischen Runaway-Verhalten von Zellen zu erstellen und den thermischen Runaway-Mechanismus von Zellen in verschiedenen Systemen zu analysieren. Diese Probleme lassen sich in herkömmlichen Missbrauchstests nur schwer quantitativ nachweisen.

Im Vergleich zu gewöhnlichen Experimenten zum Missbrauch von Heizungen wird die Temperatur der EV-ARC-Versuchsumgebung vom Programm präzise gesteuert, und die erhaltenen Testergebnisse weisen eine bessere Wiederholbarkeit und eine höhere Dateninterpretierbarkeit auf. Sie hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Faktor bei der Bewertung und Erforschung der Zellsicherheit entwickelt. meint. Die von EV-ARC simulierte adiabatische thermische Runaway-Umgebung unterscheidet sich jedoch immer noch von der tatsächlichen Batteriemissbrauchsbedingung. Um die tatsächliche Sicherheit der Batteriezelle zu bewerten, bedarf es noch einer Vielzahl von Testverfahren, die reale Härtebedingungen simulieren.

2.3 Hochgeschwindigkeits-Bildgebungstechnologie
Um die Entwicklung von Materialien und Strukturen in der Batterie während des thermischen Durchgehens intuitiver zu verstehen, haben Forscher eine Methode der Transmissionsröntgenmikroskopie (TXM) entwickelt, die Infrarotthermometrie und In-situ-Akupunktur mit Hilfsfunktionen wie den folgenden kombiniert: 7(a) zu (c). Durch thermisches Durchgehen kommt es häufig in sehr kurzer Zeit zu heftigen Reaktionen, begleitet von heftigen Phasen- und Strukturänderungen. Dieses Merkmal erlegt dem TXM-Charakterisierungsverfahren eine ziemlich hohe Anforderung an die zeitliche Auflösung auf. Die Anzahl der Röntgenphotoelektronen, die von Labor-X-Lichtquellen emittiert werden können, ist begrenzt, und es dauert lange, einen Satz von TXM-Bilddaten zu sammeln.

Da die Transmissionsprojektionskarte zweidimensionale Informationen nur in eine bestimmte Richtung wiedergeben kann, ist zur genauen Quantifizierung der Materieverteilung in einem realen dreidimensionalen Raum eine Computerbildgebungstechnik (Computertomographie, CT) erforderlich. Basierend auf jeweils 500 TXM-Rekonstruktionen kann ein Röntgen-CT-Ergebnis 2,5 Bilder pro Sekunde erreichen, wodurch die Abbildung der internen räumlichen Verteilung der Batterie mit einer bestimmten Zeitauflösung realisiert wird. Die CT-Ergebnisse zeigen deutlich die Veränderungen der Batteriematerialien in verschiedenen Stadien des thermischen Durchgehens, wie z. B. Beschädigung der aktiven Materialschicht der Elektrode, Schmelzen und erneute Agglomeration des Kupferstromkollektors usw.

In Kombination mit den mit der TXM-Technologie gewonnenen Projektionsbildern und den Ergebnissen der Hochgeschwindigkeits-Röntgen-CT ist es möglich, das Ausfallverhalten wie Reaktion, Gasbildung und strukturelle Beschädigung verschiedener Materialien an verschiedenen Positionen innerhalb der Batterie während des Betriebs eindeutig zu verstehen der Thermal-Runaway-Prozess. Andererseits können In-situ-Experimente wie Akupunktur, Infrarotheizung, Extrusion und Dehnung helfen, verschiedene makroskopische Ausfallverhalten von Batterien zu untersuchen und zu verstehen.

3 Forschung zur thermischen Systemsicherheit
Die Sicherheit des Batteriesystems ist derzeit das unmittelbarste Problem bei der Anwendung von Lithiumbatterien. Gegenwärtig lässt sich das thermische Durchgehen kommerzieller Zellen nicht vollständig vermeiden. Eine mögliche Sicherheitslösung ist das Verhindern der thermischen Instabilitätsausdehnung auf Systemebene. Der Aufwand für experimentelle Forschung auf Systemebene ist hoch, aber unvermeidbar. Mit Hilfe der Simulation kann das Systemdesign im Voraus vorhergesagt und optimiert werden, um den experimentellen Aufwand zu reduzieren.

3.1 Thermische Instabilitätsausdehnung und Prüfung auf Brandgefahr
Der experimentelle Forschungsaufwand und das Risiko einer thermischen Ausdehnung des Batteriesystems sind relativ hoch. Die Hauptmethoden bestehen darin, ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle durch Erwärmung, Überladung und Akupunktur zu induzieren und Kontaktthermoelemente, Infrarot-Temperaturmessung und andere Methoden zur Untersuchung der Temperatur in der Batterie zu verwenden. Durch die Verteilung und Änderungen im System kann dieses Verfahren nur lokale Mehrpunkt-Thermal-Runaway-Informationen erhalten. Die oben genannten Tests können die Sicherheit und das Kontrollverlustrisiko großer Batteriepakete auf praktischer Ebene bewerten und wichtige Informationen für Sicherheitsverbesserung, Frühwarnung, Brandschutz und Katastrophenbeseitigung liefern.

3.2 Katastrophengasforschung und Entwurf von Frühwarnprogrammen
Im Prozess der tatsächlichen Verwendung und des Sicherheitsversagens von Batterien sind die Zusammensetzung und Erzeugung von Gasen wichtige Forschungsthemen, die eng mit der Frühwarnung vor thermischem Durchgehen, Explosion und Brandausbreitung von Batterien verbunden sind. Stofflich wird durch die Vergasung des organischen Elektrolyten in der Batterie und die Hochtemperatur-Nebenreaktionen der Aktivkomponenten Gas freigesetzt. Das unter Erwärmungsbedingungen erzeugte Mischgas kann durch Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Spektrum, GC-MS), Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, FT-IR) und andere Mittel zur Analyse der Zusammensetzung analysiert werden. Gegenwärtig sind diese Gaswarntechnologien relativ ausgereift, aber im Prozess der Sicherheitsforschung,

4. Sicherheitsforschung von Lithiumbatterien der nächsten Generation
Prävention, Frühwarnung und Vorhersage der Batteriesicherheit hängen von einem tiefen Verständnis der Struktur-Wirkungs-Beziehung vom System über die Zelle bis zum thermischen Durchgehen des Materials ab. Betrachtet man die Lithium-Batterie-Brände, die in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt haben, ereigneten sich die meisten davon in der Anfangsphase der Anwendung neuer Technologien und neuer Materialien. Nach umfassender Aufmerksamkeit hat die Forschung zur Sicherheit dieses Batteriesystems zugenommen. Die Hysterese zwischen Batteriesicherheitsforschung und elektrochemischer Batterieleistungsforschung ist ein charakteristisches Merkmal der Batteriesicherheitsforschung.

Um die durch die Elektrifizierungswelle hervorgerufenen Anforderungen an hohe Sicherheit und hohe Energiedichte zu erfüllen, wird erwartet, dass nicht brennbare Elektrolyte oder Festelektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, um die Sicherheitsprobleme von Batterien vollständig zu lösen und eine hohe Energie zu erreichen Dichte. Die Batteriesicherheit bezieht sich jedoch nicht nur auf die thermische Stabilität der Materialien innerhalb der Batterie selbst, sondern auch auf die Wechselwirkung zwischen Materialien und der komplexen Umgebung innerhalb der Batterie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Forscher, um die Sicherheit von Batterien bei der Entwicklung von Batterien mit hoher Energiedichte zu gewährleisten, so schnell wie möglich gleichzeitig eine prospektive Überprüfung der Batteriesicherheit und Forschung durchführen und gleichzeitig die elektrochemische Leistung von Zellen optimieren müssen. Nur durch ein klares und umfassendes Verständnis des thermischen Versagensmechanismus der Batterie und der Faktoren, die die Sicherheit verschiedener Dimensionen beeinflussen, kann eine wirksame Sicherheitsprävention der Batterie in der Anwendungsphase erfolgen. Abbildung 8 zeigt den technologischen Reifegrad neuer Materialien und Technologien im Batteriebereich von der Grundlagenforschung bis zur Massenproduktion. Es ist ersichtlich, dass die groß angelegte Anwendung einer neuen Technologie eine enorme Investition an Arbeitskräften und materiellen Ressourcen erfordert, und es dauert Jahrzehnte, bis eine Massenproduktion erreicht wird. Jedoch, Die Sicherheitsüberprüfung der Batterie wird oft durchgeführt, wenn die Batterie kurz vor der Massenproduktion steht, und sie zielt oft darauf ab, den Batteriesicherheitsteststandard zu bestehen, und es ist unmöglich, das Sicherheitsverhalten systematisch und tiefgehend zu verstehen, und der interne Mechanismus liegt verborgen Gefahren für zukünftige Sicherheitsunfälle. Für das frühe Batteriesystem ist das Sicherheitsproblem aufgrund der geringen Energiedichte nicht im Vordergrund, und die Energiedichte der neuesten Lithium-Ionen-Batteriezelle kann mehr als 300 W·h/kg erreichen, die neue Technologie und das neue System hat eine höhere Energiedichte. Diese neuen Technologien und Systeme mit hoher Energiedichte stehen vor größeren Sicherheitsherausforderungen. Daher sollten die Sicherheitsforschungs- und Verifizierungsschritte der Batterie so früh wie möglich durchgeführt werden, und der Batterie sollten so bald wie möglich nach der grundlegenden Bestimmung der Zellstruktur durchgeführt werden. Es wird erwartet, dass Sicherheitsprüfungen und Mechanismenforschungsarbeiten in der frühen Phase der realen Massenproduktionsphase abgeschlossen sind, um ihre Sicherheitseigenschaften und ihr Sicherheitsverhalten herauszufinden und entsprechende Schutz- und Frühwarnmaßnahmen zu entwerfen.

Gegenwärtig ist das Materialsystem der chemischen Energiespeicherbatterie der nächsten Generation noch nicht fertiggestellt. Zu den neuen Materialien, die in der Lithium-Ionen-Batterie der neuen Generation verwendet werden können, gehören lithiumreiche Materialien, lithiumfreie Kathodenmaterialien mit hoher Kapazität, Anodenmaterialien auf Siliziumbasis, Lithiummetall-Anodenmaterialien und Festelektrolyte. usw., wenn die Verwendung von Lithiummetall-Negativelektroden in Betracht gezogen wird, kann die Epitaxie des Lithiumbatteriekonzepts weiter ausgebaut werden. Aus wissenschaftlicher Sicht gibt es jedoch nur wenige Berichte über das thermische Verhalten neuer Materialien und die praktische Sicherheit neuer Systeme. Derzeit befindet sich das Sicherheitsbewusstsein der meisten neuen Lithiumbatteriesysteme noch in einem unbekannten oder frühen Stadium. Die in diesem Artikel besprochenen Forschungsmethoden können nicht nur zur Untersuchung der Sicherheit bestehender kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, sondern auch dazu, die thermische Stabilität neuer Lithiumbatterie-Materialsysteme im Voraus auf Materialebene zu verstehen und ihre Zellen vorherzusagen und auf Simulationsmethoden basierende Systeme. Es hat eine wichtige richtungsweisende Bedeutung für die Auswahl des technischen Wegs von Lithiumbatterien der nächsten Generation und die Sicherstellung der reibungslosen Implementierung neuer Technologien für Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte. " Es hat eine wichtige richtungsweisende Bedeutung für die Auswahl des technischen Wegs von Lithiumbatterien der nächsten Generation und die Sicherstellung der reibungslosen Implementierung neuer Technologien für Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte. " Es hat eine wichtige richtungsweisende Bedeutung für die Auswahl des technischen Wegs von Lithiumbatterien der nächsten Generation und die Sicherstellung der reibungslosen Implementierung neuer Technologien für Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte. "