Les recherches sur les batteries lithium-ion ont commencé avec le concept de batterie de fauteuil à bascule proposé par Armand et al. en 1972. La commercialisation a commencé avec la batterie au lithium-oxyde de cobalt lancée par SONY en 1991. Après plus de 30 ans de mises à niveau itératives, elle a été appliquée avec maturité aux produits électroniques grand public, les outils électriques et d'autres marchés de batteries de petite capacité ont montré une grande application valeur dans les véhicules électriques, le stockage d'énergie, les communications, la défense nationale, l'aérospatiale et d'autres domaines qui nécessitent un équipement de stockage d'énergie de grande capacité.

Cependant, depuis la naissance des batteries lithium-ion, la sécurité a toujours été un enjeu important limitant leurs scénarios d'utilisation. Dès 1987, la société canadienne Moli Energy a lancé la première batterie commerciale au lithium métal basée sur l'électrode négative au lithium métallique et l'électrode positive MoS2. La batterie a subi un certain nombre d'explosions à la fin du printemps 1989, ce qui a directement conduit à la faillite de l'entreprise et a également incité l'industrie à se tourner vers le développement de batteries lithium-ion qui utilisent des composés d'intercalation comme anodes de manière plus stable. Après l'entrée des batteries lithium-ion dans le domaine de l'électronique grand public, de nombreux plans de rappel à grande échelle ont été lancés en raison des risques d'incendie des batteries. En 2016, le téléphone mobile Note7 de Samsung en Corée du Sud a subi de nombreux incendies et explosions à travers le monde, en plus de provoquer un plan de rappel global. De plus, la "sécurité des batteries au lithium" est redevenue un sujet de société très préoccupant. Dans le domaine du transport électrique, les accidents de sécurité des batteries électriques ont progressivement augmenté parallèlement à l'augmentation des ventes de véhicules à énergies nouvelles. Selon les statistiques, il y aura plus de 200 incendies et accidents de combustion de véhicules électriques signalés en Chine en 2021, et la sécurité des véhicules électriques est devenue une préoccupation des consommateurs. Et l'un des problèmes les plus préoccupants pour les entreprises de véhicules électriques. Dans le domaine du stockage d'énergie, plus de 30 accidents de centrales de stockage d'énergie se sont produits en Corée du Sud de 2017 à 2021. L'explosion de la centrale de stockage d'énergie de Beijing Dahongmen le 16 avril 2021 a provoqué l'incendie de toute la centrale électrique et a également causé le sacrifice de 2 pompiers, 1 employé est porté disparu. Avec les scénarios d'application croissants des batteries lithium-ion, leur sécurité a suscité de nombreuses discussions et recherches dans l'industrie et le milieu universitaire.

Au début du développement des batteries au lithium, l'industrie et le milieu universitaire ont accordé plus d'attention aux causes essentielles des accidents de sécurité dans les batteries au lithium. Basée sur l'accumulation de connaissances à long terme, la nature des accidents de sécurité des batteries au lithium peut être résumée comme suit : la batterie est surchargée, surchauffée, impactée La température monte anormalement dans des conditions anormales d'utilisation telles que court-circuit, etc., ce qui déclenche un série de réactions chimiques internes, faisant gazer la batterie, dégager de la fumée et ouvrir la soupape de sécurité. Lorsque cela se produit, la température de la batterie augmente rapidement et de manière incontrôlable, provoquant une combustion ou une explosion, entraînant un grave accident de sécurité. Ce processus est également appelé "emballement thermique" de la batterie.

Avec la large application des batteries lithium-ion, la recherche sur la sécurité des batteries lithium-ion s'est progressivement approfondie. De la simple description des phénomènes et des prédictions qualitatives des premiers jours, il s'est développé dans l'étude des mécanismes de sécurité à plusieurs échelles et méthodes, basée sur des mesures précises et Le modèle numérique prédit avec précision les performances de sécurité des batteries, et propose enfin une stratégie de recherche complète pour les solutions appliquées. Comme le montre la figure 3, la recherche actuelle sur la sécurité des batteries commence généralement par la compréhension du comportement thermique des cellules de batterie lithium-ion, y compris l'utilisation de diverses conditions d'abus pour déterminer la limite d'utilisation sûre et les performances de défaillance de la batterie,

1 Recherche sur la stabilité thermique des matériaux
La cause profonde de l'emballement thermique dans les batteries lithium-ion est que les matériaux de la batterie sont instables dans certaines conditions, ce qui entraîne une réaction exothermique incontrôlable. Parmi les matériaux de batterie actuellement commercialisés, ceux qui sont le plus étroitement liés à la sécurité sont l'électrode positive en oxyde de métal de transition chargé (délithié), l'électrode négative en graphite chargé (lithium intercalé), les électrolytes carbonates et les séparateurs. Les trois premiers sont instables à haute température et interagissent les uns avec les autres, libérant une grande quantité de chaleur en peu de temps, tandis que les séparateurs polymères couramment utilisés actuellement fondent et rétrécissent à 140-150 °C, ce qui entraîne le positif et le électrodes négatives dans la batterie. Contact, dissipation rapide de la chaleur sous forme de court-circuit interne. Depuis la fin du XXe siècle, les chercheurs ont effectué de nombreuses recherches sur la stabilité thermique des matériaux et ont développé une méthode de recherche qui utilise l'analyse thermique pour comprendre le comportement thermique des matériaux et combine la caractérisation de la morphologie, de la structure, de la composition des éléments et de la valence pour étudier de manière approfondie l'interne mécanisme. Le développement récent de la science computationnelle des matériaux a également fourni de nouvelles méthodes et de nouveaux moyens pour prédire la stabilité des matériaux à partir de simulations à l'échelle atomique.

1.1 Méthode d'analyse thermique
L'analyse thermique est la méthode la plus directe et la plus intuitive pour comprendre le comportement thermique des matériaux. Il fait référence à un type de technologie qui mesure la relation entre une certaine propriété physique d'un matériau et la température ou le temps sous une certaine température contrôlée par programme (et une certaine atmosphère). Pour les matériaux de batterie, la relation entre la masse, la composition et les comportements endothermiques et exothermiques avec la température est généralement concernée. La relation entre la masse et la température peut être obtenue par analyse thermogravimétrique (TGA ou TG), et la relation entre la chaleur endothermique et la température peut être obtenue par calorimétrie différentielle à balayage (calorimétrie différentielle à balayage, DSC). TG et DSC peuvent être conçus en tests simultanés dans le même instrument, cette méthode est également connue sous le nom d'analyse thermique simultanée (analyse thermique simultanée, STA). Les instruments tels que TG, DSC et STA utilisent généralement un programme de chauffage linéaire et enregistrent les changements de masse, endothermiques et exothermiques de l'échantillon via des balances thermiques, des capteurs de flux de chaleur, etc. En raison du temps de développement précoce, la technologie et l'équipement de test niveau ingénierie sont relativement matures, et c'est devenu un matériau de compréhension. L'un des tests les plus importants pour la stabilité. et c'est devenu un matériau de compréhension. L'un des tests les plus importants pour la stabilité. et c'est devenu un matériau de compréhension. L'un des tests les plus importants pour la stabilité.

Sur la base des résultats de l'analyse thermique, la température initiale, la quantité de réaction et le dégagement de chaleur de la transition de phase, la décomposition ou la réaction chimique du matériau peuvent être déterminés, mais dans les batteries lithium-ion, la stabilité et la chaleur de réaction du matériau chargé dans l'environnement électrolytique sont souvent plus concernés. . Une bonne stabilité thermique est une condition nécessaire pour que les matériaux de la batterie entrent dans les applications, tandis que la génération de chaleur et le taux de génération de chaleur affectent la gravité de l'emballement thermique de la batterie. Les creusets utilisés pour les échantillons d'analyse thermique classique sont généralement en alumine ouverte ou en aluminium métallique à pores ouverts. Afin d'étudier les performances thermiques des matériaux dans les électrolytes volatils, il est nécessaire d'utiliser des conteneurs étanches fabriqués par nos soins ou spécialement fournis par les fabricants d'équipements.

En plus de la DSC et de la TG, il existe également une méthode d'analyse thermique spéciale qui utilise un calorimètre d'accélération (colorimètre à vitesse d'accélération, ARC) pour étudier la température de début de la réaction.

1.2 Technologie d'analyse de phase
Pendant le processus de chauffage des matériaux de batterie, des transitions de phase et des réactions chimiques se produisent, et leur morphologie, structure, composition et état de valence des éléments peuvent changer. Ces changements doivent être caractérisés et analysés sur la base de méthodes correspondantes, telles que le microscope électronique à balayage (microscope électronique à balayage), SEM) pour observer les changements morphologiques des matériaux avant et après la décomposition thermique, et utiliser la diffraction et la spectroscopie des rayons X pour étudier la structure matérielle et l'évolution de la valence des éléments. En raison des effets cinétiques importants de la décomposition thermique des matériaux et des réactions thermiques, les essais in situ pendant le chauffage peuvent minimiser le processus réel de changement de phase. À l'heure actuelle, il existe deux principaux types de techniques de caractérisation in-situ matures : l'une est la spectrométrie de masse (MS) et la spectroscopie infrarouge (IR), qui sont utilisés en série avec des instruments d'analyse thermique, qui peuvent surveiller les types de gaz générés par la décomposition des substances en temps réel. , pour juger du changement de composition chimique pendant le processus de chauffage du matériau ; l'autre type est la diffraction des rayons X in situ (XRD), grâce à une étape d'échantillonnage spéciale, le changement structurel du matériau peut être mesuré en temps réel et in situ pendant le processus de chauffage À l'heure actuelle, la plupart des sources lumineuses de rayonnement synchrotron dans le monde et certains diffractomètres à rayons X de niveau laboratoire peuvent réaliser des tests XRD à température variable in situ.

1.3 Science
computationnelle des matériaux La prédiction computationnelle de toutes les propriétés des matériaux sur la base de leurs structures atomiques est la poursuite ultime des scientifiques des matériaux computationnels. La stabilité thermodynamique d'un matériau peut être calculée sur la base de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La base pour juger de la stabilité des matériaux dans DFT est de savoir si la différence d'énergie ΔE avant et après la réaction est inférieure à 0. Si ΔE est inférieur à 0, la réaction peut se produire et les réactifs sont instables, et vice versa. En général, l'écart entre la technologie de simulation théorique et la technologie expérimentale au niveau matériel est encore loin du stade actuel, ce qui nécessite des efforts continus des chercheurs.

2 Recherche sur la sécurité thermique de la cellule
Une cellule de batterie fait référence à une cellule de batterie, qui est un dispositif unitaire de base qui convertit l'énergie chimique et l'énergie électrique l'une dans l'autre, comprenant généralement des électrodes, des séparateurs, des électrolytes, des boîtiers et des bornes. Les caractéristiques de sécurité thermique des cellules sont l'un des contenus les plus préoccupants dans l'industrie des batteries. C'est l'expression concentrée de la stabilité thermique des matériaux de batterie et la base du développement de stratégies d'alerte précoce et de protection de la sécurité des systèmes de batterie à grande échelle. En raison de la structure interne de la cellule, sa sécurité présentera certaines caractéristiques qui ne sont pas discutées dans la recherche sur les matériaux purs, ce qui donne à la sécurité de la cellule une extension et une compréhension plus larges.