การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเริ่มต้นด้วยแนวคิดแบตเตอรี่เก้าอี้โยกที่เสนอโดย Armand et al ในปี พ.ศ. 2515 การค้าเริ่มด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ที่เปิดตัวโดยโซนี่ในปี พ.ศ. 2534 หลังจากการอัปเกรดซ้ำๆ เป็นเวลากว่า 30 ปี ได้มีการนำไปใช้อย่างเต็มที่กับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เครื่องมือไฟฟ้า และตลาดแบตเตอรี่ความจุขนาดเล็กอื่นๆ ได้แสดงให้เห็นถึงการใช้งานที่ยอดเยี่ยม มูลค่าในยานยนต์ไฟฟ้า การจัดเก็บพลังงาน การสื่อสาร การป้องกันประเทศ การบินและอวกาศ และด้านอื่นๆ ที่ต้องใช้อุปกรณ์เก็บพลังงานความจุสูง

อย่างไรก็ตาม นับตั้งแต่เกิดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความปลอดภัยเป็นปัญหาสำคัญที่จำกัดสถานการณ์การใช้งานเสมอมา เร็วเท่าที่ปี 1987 บริษัท Moli Energy ของแคนาดาได้เปิดตัวแบตเตอรี่โลหะลิเธียมเชิงพาณิชย์เครื่องแรกโดยใช้อิเล็กโทรดลบลิเธียมโลหะและอิเล็กโทรดบวก MoS2 แบตเตอรีประสบการระเบิดหลายครั้งในช่วงปลายฤดูใบไม้ผลิปี 1989 ซึ่งนำไปสู่การล้มละลายของบริษัทโดยตรง และยังกระตุ้นให้อุตสาหกรรมหันมาพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้สารประกอบอินเตอร์คาเลชันเป็นแอโนดที่เสถียรยิ่งขึ้น หลังจากที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเข้าสู่วงการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีแผนเรียกคืนจำนวนมากเนื่องจากอันตรายจากไฟไหม้แบตเตอรี่ ในปี 2559 โทรศัพท์มือถือ Note7 ของ Samsung ในเกาหลีใต้ประสบไฟไหม้และการระเบิดหลายครั้งทั่วโลก นอกจากจะทำให้เกิดแผนการเรียกคืนทั่วโลกแล้ว นอกจากนี้ "ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียม" ได้กลายเป็นประเด็นทางสังคมที่มีความกังวลอย่างกว้างขวางอีกครั้ง ในด้านการขนส่งไฟฟ้า อุบัติเหตุด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่กำลังค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามยอดขายรถยนต์พลังงานใหม่ที่เพิ่มขึ้น ตามสถิติ จะมีรายงานไฟไหม้รถยนต์ไฟฟ้าและอุบัติเหตุจากการเผาไหม้มากกว่า 200 ครั้งในประเทศจีนในปี 2564 และความปลอดภัยของรถยนต์ไฟฟ้าได้กลายเป็นความกังวลของผู้บริโภค และหนึ่งในประเด็นที่น่ากังวลที่สุดสำหรับบริษัทรถยนต์ไฟฟ้า ในด้านการจัดเก็บพลังงาน อุบัติเหตุสถานีเก็บพลังงานมากกว่า 30 ครั้งเกิดขึ้นในเกาหลีใต้ตั้งแต่ปี 2560 ถึง 2564 อุบัติเหตุการระเบิดของสถานีพลังงานเก็บพลังงานปักกิ่ง Dahongmen เมื่อวันที่ 16 เมษายน พ.ศ. 2564 ทำให้โรงไฟฟ้าทั้งโรงไฟลุกไหม้และยังเป็นการเสียสละของนักดับเพลิง 2 คน พนักงาน 1 คนหายไป ด้วยสถานการณ์การใช้งานที่เพิ่มขึ้นของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้จุดประกายให้เกิดการอภิปรายและการวิจัยอย่างกว้างขวางทั้งในอุตสาหกรรมและวิชาการ

ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียม อุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษาให้ความสำคัญกับสาเหตุสำคัญของอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยในแบตเตอรี่ลิเธียมมากขึ้น จากความรู้ที่สั่งสมมายาวนาน สามารถสรุปลักษณะของอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยในแบตเตอรี่ลิเทียมได้ดังนี้ แบตเตอรี่มีประจุมากเกินไป ร้อนเกินไป กระแทก อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติภายใต้สภาวะการใช้งานที่ผิดปกติ เช่น ไฟฟ้าลัดวงจร เป็นต้น ซึ่งทำให้เกิดการ ชุดของปฏิกิริยาเคมีภายใน ทำให้แบตเตอรี่มีแก๊ส ควัน และวาล์วนิรภัยเปิด เมื่อเกิดขึ้น อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะสูงขึ้นอย่างรวดเร็วและควบคุมไม่ได้ ทำให้เกิดการเผาไหม้หรือระเบิด ส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยอย่างร้ายแรง กระบวนการนี้เรียกอีกอย่างว่า "การระบายความร้อน" ของแบตเตอรี่

ด้วยการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างกว้างขวาง การวิจัยเกี่ยวกับความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงค่อยๆ ลึกซึ้งขึ้น จากคำอธิบายง่ายๆ ของปรากฏการณ์และการคาดการณ์เชิงคุณภาพในช่วงแรกๆ ได้พัฒนาไปสู่การศึกษากลไกความปลอดภัยในระดับและวิธีการที่หลากหลาย โดยอิงจากการวัดที่แม่นยำและแบบจำลองตัวเลขคาดการณ์ประสิทธิภาพความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ และสุดท้ายได้เสนอกลยุทธ์การวิจัยที่ครอบคลุม สำหรับโซลูชั่นประยุกต์ ดังที่แสดงในรูปที่ 3 การวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับความปลอดภัยของแบตเตอรี่โดยทั่วไปเริ่มต้นจากการทำความเข้าใจพฤติกรรมทางความร้อนของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน รวมถึงการใช้เงื่อนไขการใช้งานที่ไม่เหมาะสมต่างๆ เพื่อกำหนดขีดจำกัดการใช้งานที่ปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานที่ล้มเหลวของแบตเตอรี่

1 งานวิจัยเกี่ยวกับความคงตัวทางความร้อนของวัสดุ
สาเหตุหลักของการระบายความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือวัสดุในแบตเตอรี่ไม่เสถียรภายใต้สภาวะบางประการ ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้ วัสดุแบตเตอรี่ที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน วัสดุที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความปลอดภัยมากที่สุด ได้แก่ อิเล็กโทรดขั้วบวกขั้วบวกของโลหะออกไซด์ทรานซิชันที่มีประจุ (ดีลิเธียด) อิเล็กโทรดขั้วลบกราไฟต์ที่มีประจุ (ลิเธียมอินเตอร์คาเลต) อิเล็กโทรดคาร์บอเนตอิเล็กโทรไลต์และตัวแยก สามตัวแรกไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูงและมีปฏิกิริยาต่อกัน โดยปล่อยความร้อนจำนวนมากในระยะเวลาอันสั้น ในขณะที่ตัวแยกโพลีเมอร์ที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันจะละลายและหดตัวที่อุณหภูมิ 140-150 °C ส่งผลให้ค่าบวกและ ขั้วลบในแบตเตอรี่ ติดต่อกระจายความร้อนอย่างรวดเร็วในรูปแบบของไฟฟ้าลัดวงจรภายใน ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 20 เป็นต้นมา นักวิจัยได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับความคงตัวทางความร้อนของวัสดุ และพัฒนาวิธีการวิจัยที่ใช้การวิเคราะห์เชิงความร้อนเพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมทางความร้อนของวัสดุ และรวมลักษณะทางสัณฐานวิทยา โครงสร้าง องค์ประกอบองค์ประกอบ และความจุ เพื่อศึกษาภายในอย่างครอบคลุม กลไก. การพัฒนาล่าสุดของวิทยาศาสตร์วัสดุเชิงคำนวณได้ให้วิธีการและวิธีการใหม่ในการคาดการณ์ความเสถียรของวัสดุจากการจำลองระดับอะตอม

1.1 วิธีวิเคราะห์เชิงความร้อน
การวิเคราะห์เชิงความร้อนเป็นวิธีที่ตรงไปตรงมาและใช้งานง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจพฤติกรรมทางความร้อนของวัสดุ หมายถึงประเภทของเทคโนโลยีที่วัดความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่างของวัสดุกับอุณหภูมิหรือเวลาภายใต้อุณหภูมิที่ควบคุมโดยโปรแกรม (และบรรยากาศบางอย่าง) สำหรับวัสดุแบตเตอรี่ โดยทั่วไปจะคำนึงถึงความสัมพันธ์ระหว่างมวล องค์ประกอบ และพฤติกรรมดูดความร้อนและคายความร้อนกับอุณหภูมิ หาความสัมพันธ์ระหว่างมวลและอุณหภูมิได้โดยการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักของน้ำหนักด้วยความร้อน (TGA หรือ TG) และความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนดูดกลืนกับอุณหภูมิสามารถหาได้จากการวัดปริมาณความร้อนด้วยการสแกนแบบดิฟเฟอเรนเชียล (DSC) TG และ DSC สามารถออกแบบในการทดสอบพร้อมกันในเครื่องมือเดียวกัน วิธีนี้เรียกอีกอย่างว่าการวิเคราะห์เชิงความร้อนพร้อมกัน (การวิเคราะห์เชิงความร้อนพร้อมกัน, STA) เครื่องมือเช่น TG, DSC และ STA มักใช้โปรแกรมการให้ความร้อนเชิงเส้น และบันทึกการเปลี่ยนแปลงมวล การดูดความร้อน และคายความร้อนของตัวอย่างผ่านสมดุลความร้อน เซ็นเซอร์วัดการไหลของความร้อน ฯลฯ เนื่องจากเวลาในการพัฒนาในช่วงต้น เทคโนโลยีและอุปกรณ์การทดสอบ ระดับวิศวกรรมค่อนข้างเป็นผู้ใหญ่และกลายเป็นสื่อสำหรับทำความเข้าใจ หนึ่งในการทดสอบความเสถียรที่สำคัญที่สุด และกลายเป็นสื่อสร้างความเข้าใจ หนึ่งในการทดสอบความเสถียรที่สำคัญที่สุด และกลายเป็นสื่อสร้างความเข้าใจ หนึ่งในการทดสอบความเสถียรที่สำคัญที่สุด

จากผลการวิเคราะห์เชิงความร้อน อุณหภูมิเริ่มต้น ปริมาณของปฏิกิริยาและการปล่อยความร้อนของการเปลี่ยนเฟส การสลายตัวหรือปฏิกิริยาเคมีของวัสดุสามารถกำหนดได้ แต่ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความเสถียรและความร้อนจากปฏิกิริยาของวัสดุที่มีประจุ ในสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์มักจะกังวลมากขึ้น . เสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับวัสดุแบตเตอรี่ที่จะเข้าสู่การใช้งาน ในขณะที่การสร้างความร้อนและอัตราการสร้างความร้อนจะส่งผลต่อความรุนแรงของการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ ถ้วยใส่ตัวอย่างที่ใช้สำหรับตัวอย่างการวิเคราะห์เชิงความร้อนทั่วไปมักทำจากอลูมินาแบบเปิดหรือโลหะอะลูมิเนียมที่มีรูพรุน เพื่อศึกษาประสิทธิภาพทางความร้อนของวัสดุในอิเล็กโทรไลต์ระเหย จำเป็นต้องใช้ภาชนะที่ปิดสนิทที่ผลิตขึ้นเองหรือที่จัดเตรียมไว้เป็นพิเศษโดยผู้ผลิตอุปกรณ์

นอกจาก DSC และ TG แล้ว ยังมีวิธีการวิเคราะห์เชิงความร้อนแบบพิเศษที่ใช้เครื่องวัดอัตราการเร่งความเร็ว (accelerating rate colorimeter, ARC) เพื่อศึกษาอุณหภูมิเริ่มต้นของปฏิกิริยา

1.2 เทคโนโลยีการวิเคราะห์เฟส
ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนของวัสดุแบตเตอรี่ การเปลี่ยนเฟสและปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้น และสัณฐานวิทยา โครงสร้าง องค์ประกอบ และสถานะความจุของธาตุอาจเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จำเป็นต้องมีลักษณะเฉพาะและวิเคราะห์ตามวิธีการที่เกี่ยวข้อง เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน) เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของวัสดุก่อนและหลังการสลายตัวด้วยความร้อน และใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และสเปกโทรสโกปีเพื่อศึกษา โครงสร้างวัสดุและวิวัฒนาการของความจุองค์ประกอบ เนื่องจากผลกระทบทางจลนศาสตร์ที่สำคัญของการสลายตัวทางความร้อนของวัสดุและปฏิกิริยาทางความร้อน การทดสอบในแหล่งกำเนิดระหว่างการให้ความร้อนสามารถลดกระบวนการที่แท้จริงของการเปลี่ยนแปลงเฟสได้ ในปัจจุบัน มีเทคนิคการกำหนดลักษณะเฉพาะในแหล่งกำเนิดสองประเภทหลัก: หนึ่งคือแมสสเปกโตรเมตรี (MS) และอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (IR) ซึ่งใช้ในซีรีส์ร่วมกับเครื่องมือวิเคราะห์เชิงความร้อน ซึ่งสามารถตรวจสอบประเภทของก๊าซที่เกิดจากการสลายตัวของสารได้แบบเรียลไทม์ เพื่อตัดสินการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบทางเคมีระหว่างกระบวนการให้ความร้อนของวัสดุ อีกประเภทหนึ่งคือ in situ X-ray diffraction (XRD) ผ่านขั้นตอนตัวอย่างพิเศษ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุสามารถวัดได้แบบเรียลไทม์และในแหล่งกำเนิดระหว่างกระบวนการให้ความร้อน ปัจจุบันแหล่งกำเนิดรังสีซินโครตรอนส่วนใหญ่ของโลก และเอ็กซ์เรย์ดิฟแฟรกโตมิเตอร์ระดับห้องปฏิบัติการบางรุ่นสามารถทดสอบ XRD อุณหภูมิตัวแปรในแหล่งกำเนิดได้

1.3 Computational Materials Science
การทำนายสมบัติทั้งหมดของวัสดุตามโครงสร้างอะตอมของวัสดุนั้นเป็นการแสวงหาขั้นสูงสุดของนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุคอมพิวเตอร์ ความคงตัวทางอุณหพลศาสตร์ของวัสดุสามารถคำนวณได้ตามทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) พื้นฐานสำหรับการตัดสินความเสถียรของวัสดุใน DFT คือความแตกต่างของพลังงาน ΔE ก่อนและหลังปฏิกิริยามีค่าน้อยกว่า 0 หรือไม่ ถ้า ΔE น้อยกว่า 0 ปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นได้ และสารตั้งต้นจะไม่เสถียร และในทางกลับกัน โดยทั่วไป ช่องว่างระหว่างเทคโนโลยีการจำลองเชิงทฤษฎีกับเทคโนโลยีการทดลองในระดับวัสดุยังห่างไกลจากระยะปัจจุบัน ซึ่งต้องใช้ความพยายามอย่างต่อเนื่องของนักวิจัย

2 งานวิจัยด้านความปลอดภัยทางความร้อนของเซลล์
เซลล์แบตเตอรี่ หมายถึง เซลล์แบตเตอรี่ ซึ่งเป็นอุปกรณ์หน่วยพื้นฐานที่แปลงพลังงานเคมีและพลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นกันและกัน โดยปกติแล้วจะรวมถึงอิเล็กโทรด ตัวแยก อิเล็กโทรไลต์ ปลอกหุ้ม และขั้ว ลักษณะความปลอดภัยทางความร้อนของเซลล์เป็นหนึ่งในเนื้อหาที่เกี่ยวข้องมากที่สุดในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ เป็นการแสดงออกที่เข้มข้นของความเสถียรทางความร้อนของวัสดุแบตเตอรี่และเป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนากลยุทธ์การเตือนล่วงหน้าและการป้องกันความปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ เนื่องจากโครงสร้างภายในของเซลล์ ความปลอดภัยจะแสดงคุณลักษณะบางอย่างที่ไม่ได้กล่าวถึงในการวิจัยวัสดุบริสุทธิ์ ซึ่งทำให้ความปลอดภัยของเซลล์มีการขยายและทำความเข้าใจที่กว้างขึ้น