Nghiên cứu về pin lithium-ion bắt đầu với khái niệm pin ghế bập bênh do Armand et al đề xuất. vào năm 1972. Việc thương mại hóa bắt đầu với pin lithium coban oxit được SONY tung ra vào năm 1991. Sau hơn 30 năm nâng cấp lặp đi lặp lại, nó đã được áp dụng thuần thục cho các sản phẩm điện tử tiêu dùng, dụng cụ điện và các thị trường pin dung lượng nhỏ khác cho thấy ứng dụng tuyệt vời giá trị trong xe điện, lưu trữ năng lượng, thông tin liên lạc, quốc phòng, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác đòi hỏi thiết bị lưu trữ năng lượng công suất lớn.

Tuy nhiên, kể từ khi pin lithium-ion ra đời, an toàn luôn là vấn đề quan trọng hạn chế các kịch bản sử dụng của chúng. Ngay từ năm 1987, công ty Canada Moli Energy đã tung ra loại pin kim loại lithium thương mại đầu tiên dựa trên điện cực âm lithium kim loại và điện cực dương MoS2. Pin đã bị một số vụ nổ vào cuối mùa xuân năm 1989, trực tiếp dẫn đến sự phá sản của công ty và cũng thúc đẩy ngành công nghiệp chuyển sang phát triển pin lithium-ion sử dụng các hợp chất xen kẽ làm cực dương ổn định hơn. Sau khi pin lithium-ion bước vào lĩnh vực điện tử tiêu dùng, đã có nhiều kế hoạch thu hồi quy mô lớn do nguy cơ cháy pin. Năm 2016, điện thoại di động Note7 của Samsung tại Hàn Quốc đã xảy ra nhiều vụ cháy nổ trên khắp thế giới, ngoài việc gây ra kế hoạch thu hồi toàn cầu. Ngoài ra, "an toàn của pin Lithium" một lần nữa trở thành chủ đề xã hội được nhiều người quan tâm. Trong lĩnh vực vận tải điện, các vụ tai nạn về an toàn của ắc quy ngày càng gia tăng cùng với sự gia tăng doanh số bán các loại xe chạy bằng năng lượng mới. Theo thống kê, sẽ có hơn 200 vụ cháy xe điện và tai nạn đốt cháy được báo cáo ở Trung Quốc vào năm 2021, và sự an toàn của xe điện đã trở thành mối quan tâm của người tiêu dùng. Và một trong những vấn đề được các hãng xe điện quan tâm nhất. Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, hơn 30 vụ tai nạn trạm điện lưu trữ năng lượng đã xảy ra ở Hàn Quốc từ năm 2017 đến năm 2021. Vụ nổ trạm điện lưu trữ năng lượng Dahongmen Bắc Kinh vào ngày 16 tháng 4, Năm 2021 khiến toàn bộ trạm điện bị thiêu rụi và cũng là nguyên nhân khiến 2 lính cứu hỏa hy sinh, 1 nhân viên mất tích. Với các kịch bản ứng dụng ngày càng tăng của pin lithium-ion, sự an toàn của chúng đã làm dấy lên các cuộc thảo luận và nghiên cứu sâu rộng trong cả ngành công nghiệp và học viện.

Trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển pin lithium, ngành công nghiệp và giới học thuật đã chú ý nhiều hơn đến các nguyên nhân cơ bản gây ra tai nạn an toàn cho pin lithium. Dựa trên kiến ​​thức tích lũy lâu dài, bản chất của các tai nạn an toàn đối với pin lithium có thể được tóm tắt như sau: pin bị sạc quá mức, quá nóng, bị va đập Nhiệt độ tăng bất thường trong các điều kiện sử dụng bất thường như đoản mạch, v.v. một loạt các phản ứng hóa học bên trong, gây ra khí gas, bốc khói và van an toàn mở. Khi nó xảy ra, nhiệt độ của pin tăng nhanh và không kiểm soát được, gây cháy hoặc nổ, dẫn đến tai nạn nghiêm trọng về an toàn. Quá trình này còn được gọi là "sự chạy trốn nhiệt" của pin.

Với ứng dụng rộng rãi của pin lithium-ion, việc nghiên cứu về tính an toàn của pin lithium-ion đã dần đi vào chiều sâu. Từ mô tả đơn giản của các hiện tượng và dự đoán định tính trong những ngày đầu, nó đã phát triển thành nghiên cứu các cơ chế an toàn ở nhiều quy mô và phương pháp, dựa trên phép đo chính xác và mô hình số dự đoán chính xác hiệu suất an toàn của pin, và cuối cùng đề xuất một chiến lược nghiên cứu toàn diện cho các giải pháp áp dụng. Như thể hiện trong Hình 3, nghiên cứu hiện tại về an toàn của pin thường bắt đầu từ việc tìm hiểu hành vi nhiệt của các tế bào pin lithium-ion, bao gồm việc sử dụng các điều kiện lạm dụng khác nhau để xác định giới hạn sử dụng an toàn và hiệu suất hỏng hóc của pin,

1 Nghiên cứu về tính ổn định nhiệt của vật liệu
Nguyên nhân sâu xa của hiện tượng thoát nhiệt trong pin lithium-ion là do các vật liệu trong pin không ổn định trong một số điều kiện nhất định, dẫn đến phản ứng tỏa nhiệt không thể kiểm soát. Trong số các vật liệu pin được thương mại hóa hiện nay, những vật liệu liên quan mật thiết nhất đến tính an toàn là điện cực dương oxit kim loại chuyển tiếp tích điện (phân tách), điện cực âm graphite tích điện (xen kẽ lithium), chất điện phân và bộ phân tách cacbonat. Ba chất đầu tiên không ổn định ở nhiệt độ cao và tương tác với nhau, giải phóng một lượng nhiệt lớn trong thời gian ngắn, trong khi bộ phân tách polyme được sử dụng phổ biến hiện nay sẽ nóng chảy và co lại ở 140-150 ° C, dẫn đến dương và điện cực âm trong pin. Tiếp xúc, tản nhiệt nhanh chóng dưới dạng ngắn mạch bên trong. Kể từ cuối thế kỷ 20, Các nhà nghiên cứu đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu về tính ổn định nhiệt của vật liệu, và phát triển một phương pháp nghiên cứu sử dụng phân tích nhiệt để hiểu đặc tính nhiệt của vật liệu, đồng thời kết hợp các đặc điểm về hình thái, cấu trúc, thành phần nguyên tố và hóa trị để nghiên cứu toàn diện nội cơ chế. Sự phát triển gần đây của khoa học vật liệu tính toán cũng đã cung cấp các phương pháp và phương tiện mới để dự đoán độ ổn định của vật liệu từ các mô phỏng quy mô nguyên tử.

1.1 Phương pháp phân tích nhiệt
Phân tích nhiệt là phương pháp trực tiếp và trực quan nhất để hiểu đặc tính nhiệt của vật liệu. Nó đề cập đến một loại công nghệ đo lường mối quan hệ giữa một đặc tính vật lý nhất định của vật liệu và nhiệt độ hoặc thời gian dưới một nhiệt độ được kiểm soát theo chương trình nhất định (và một bầu không khí nhất định). Đối với vật liệu pin, mối quan hệ giữa khối lượng, thành phần và các hành vi thu nhiệt và tỏa nhiệt với nhiệt độ thường được quan tâm. Mối quan hệ giữa khối lượng và nhiệt độ có thể thu được bằng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA hoặc TG), và mối quan hệ giữa nhiệt thu nhiệt và nhiệt độ có thể thu được bằng phương pháp đo nhiệt lượng quét vi sai (đo nhiệt lượng quét vi sai, DSC). TG và DSC có thể được thiết kế để kiểm tra đồng thời trong cùng một thiết bị, phương pháp này còn được gọi là phân tích nhiệt đồng thời (phân tích nhiệt đồng thời, STA). Các thiết bị như TG, DSC và STA thường sử dụng chương trình gia nhiệt tuyến tính và ghi lại khối lượng, sự thay đổi thu nhiệt và tỏa nhiệt của mẫu thông qua cân bằng nhiệt, cảm biến lưu lượng nhiệt, v.v ... Do có thời gian phát triển sớm nên công nghệ và thiết bị thử nghiệm trình độ kỹ thuật tương đối trưởng thành, và nó đã trở thành tài liệu để hiểu. Một trong những bài kiểm tra quan trọng nhất cho sự ổn định. và nó đã trở thành chất liệu để hiểu. Một trong những bài kiểm tra quan trọng nhất cho sự ổn định. và nó đã trở thành chất liệu để hiểu. Một trong những bài kiểm tra quan trọng nhất cho sự ổn định.

Dựa trên kết quả phân tích nhiệt, có thể xác định nhiệt độ ban đầu, lượng phản ứng và sự tỏa nhiệt của quá trình chuyển pha, phân hủy hoặc phản ứng hóa học của vật liệu, nhưng trong pin lithium-ion, độ ổn định và phản ứng nhiệt của vật liệu tích điện trong môi trường chất điện li thường được quan tâm hơn. . Ổn định nhiệt tốt là điều kiện cần thiết để vật liệu pin đi vào các ứng dụng, đồng thời quá trình sinh nhiệt và tốc độ sinh nhiệt ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của quá trình thoát nhiệt của pin. Chén nung được sử dụng cho các mẫu phân tích nhiệt thông thường thường được làm bằng nhôm kim loại hở hoặc nhôm có lỗ hở. Để nghiên cứu tính năng nhiệt của vật liệu trong chất điện phân dễ bay hơi, cần sử dụng các bình kín tự chế tạo hoặc được cung cấp đặc biệt bởi các nhà sản xuất thiết bị.

Ngoài DSC và TG, còn có một phương pháp phân tích nhiệt đặc biệt sử dụng nhiệt lượng kế (máy so màu tốc độ gia tốc, ARC) để nghiên cứu nhiệt độ bắt đầu của phản ứng.

1.2 Công nghệ phân tích pha
Trong quá trình đốt nóng vật liệu pin, xảy ra chuyển pha và phản ứng hóa học, hình thái, cấu trúc, thành phần và trạng thái hóa trị của nguyên tố có thể thay đổi. Những thay đổi này cần được đặc trưng và phân tích dựa trên các phương pháp tương ứng, chẳng hạn như kính hiển vi điện tử quét (kính hiển vi điện tử quét), SEM) để quan sát sự thay đổi hình thái của vật liệu trước và sau khi phân hủy nhiệt, đồng thời sử dụng nhiễu xạ tia X và quang phổ để nghiên cứu cấu trúc vật chất và sự tiến hóa hóa trị của nguyên tố. Do các tác động động học đáng kể của quá trình phân hủy nhiệt vật liệu và phản ứng nhiệt, thử nghiệm tại chỗ trong quá trình gia nhiệt có thể giảm thiểu quá trình chuyển pha thực. Hiện nay, có hai loại kỹ thuật xác định đặc tính tại chỗ trưởng thành chính: một là kỹ thuật khối phổ (MS) và phổ hồng ngoại (IR), được sử dụng hàng loạt với các thiết bị phân tích nhiệt, có thể theo dõi các loại khí sinh ra do sự phân hủy của các chất trong thời gian thực. , để đánh giá sự thay đổi của thành phần hóa học trong quá trình gia nhiệt của vật liệu; loại còn lại là nhiễu xạ tia X tại chỗ (XRD), thông qua một giai đoạn mẫu đặc biệt, sự thay đổi cấu trúc của vật liệu có thể được đo trong thời gian thực và tại chỗ trong quá trình gia nhiệt. và một số máy đo nhiễu xạ tia X cấp phòng thí nghiệm có thể nhận ra các xét nghiệm XRD nhiệt độ thay đổi tại chỗ.

1.3 Khoa học vật liệu
tính toán Dự đoán tính toán về tất cả các thuộc tính của vật liệu dựa trên cấu trúc nguyên tử của chúng là mục tiêu theo đuổi cuối cùng của các nhà khoa học vật liệu tính toán. Độ ổn định nhiệt động lực học của vật liệu có thể được tính toán dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT). Cơ sở để đánh giá độ ổn định của vật liệu trong DFT là sự chênh lệch năng lượng ΔE trước và sau phản ứng có nhỏ hơn 0. Nếu ΔE nhỏ hơn 0 thì phản ứng có thể xảy ra, và chất phản ứng không bền, và ngược lại. Nhìn chung, khoảng cách giữa công nghệ mô phỏng lý thuyết và công nghệ thực nghiệm ở cấp độ vật chất còn rất xa so với giai đoạn hiện nay, đòi hỏi sự nỗ lực không ngừng của các nhà nghiên cứu.

2 Nghiên cứu về an toàn nhiệt của tế bào
Tế bào pin là một tế bào pin, là một thiết bị đơn vị cơ bản chuyển đổi năng lượng hóa học và năng lượng điện cho nhau, thường bao gồm các điện cực, bộ phân tách, chất điện phân, vỏ bọc và thiết bị đầu cuối. Đặc tính an toàn nhiệt của tế bào là một trong những nội dung được quan tâm nhất trong ngành sản xuất pin. Đó là sự thể hiện tập trung tính ổn định nhiệt của vật liệu pin và là cơ sở để phát triển các chiến lược cảnh báo sớm và bảo vệ an toàn hệ thống pin quy mô lớn. Do cấu trúc bên trong của tế bào, độ an toàn của nó sẽ thể hiện một số đặc điểm không được thảo luận trong nghiên cứu vật chất thuần túy, điều này khiến độ an toàn của tế bào có sự mở rộng và hiểu biết rộng hơn.