2.1 การทดสอบการละเมิด
International Electrotechnical Commission (IEC), Underwriters Laboratories (UL) และ Japan Battery Association (JSBA) ในขั้นต้นกำหนดการทดสอบการละเมิดสำหรับเซลล์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โดยจำลองสภาวะที่รุนแรงที่เซลล์อาจพบเมื่อทำงาน มักจะแบ่งออกเป็นการละเมิดความร้อน ไฟฟ้าและ การละเมิดทางกล การละเมิดความร้อนที่พบบ่อยคือการทดสอบกล่องร้อน การใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิดรวมถึงการชาร์จไฟเกินและการทดลองการลัดวงจรภายนอก และการละเมิดทางกลรวมถึงการฝังเข็ม การอัดรีด การกระแทก และการสั่นสะเทือน มาตรฐานองค์กรและอุตสาหกรรมมักอธิบายการตอบสนองของแบตเตอรี่ต่อการทดสอบการละเมิดว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลง การรั่วไหล การเผาไหม้ การระเบิด ฯลฯ นอกจากนี้ยังสามารถบันทึกการตอบสนองของอุณหภูมิ ก๊าซ และแรงดันไฟฟ้าต่อการละเมิดโดยอิงจากเซ็นเซอร์และระบบตรวจจับเพิ่มเติม มาตรฐานสำหรับแบตเตอรี่ที่จะผ่านการทดสอบการละเมิดคือไม่ไหม้หรือระเบิด เนื่องจากการทดสอบในทางที่ผิดมุ่งเป้าไปที่เซลล์สำเร็จรูปในเชิงพาณิชย์และใกล้เคียงกับสภาพการใช้งานจริง ปัจจุบันจึงเป็นมาตรฐานการทดสอบความปลอดภัยสำหรับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่มากกว่าวิธีการวิจัย

2.2 การทดสอบ EV-ARC
ARC ยุคแรกเหมาะสำหรับการศึกษาพฤติกรรมการหนีจากความร้อนของตัวอย่างวัสดุจำนวนเล็กน้อยเท่านั้น เฟิงและคณะ พัฒนาวิธีการใช้ EV-ARC เพื่อศึกษาพฤติกรรมการหนีความร้อนแบบอะเดียแบติกของเซลล์ขนาดใหญ่ หลักการและข้อสรุปของวิธีการวิจัยแสดงไว้ในรูปที่ 6 ห้องทำความร้อนของ ARC มีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีเทคโนโลยีการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำยิ่งขึ้นและรูปแบบการสอบเทียบที่เข้มงวดยิ่งขึ้น จากการทดสอบ EV-ARC อุณหภูมิลักษณะเฉพาะ T1, T2 และ T3 ของการระบายความร้อนของเซลล์สามารถปรับเทียบในเชิงปริมาณได้ ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิเริ่มต้นของการให้ความร้อนด้วยตนเองของเซลล์ อุณหภูมิเริ่มต้นของทางหนีความร้อนของ เซลล์และอุณหภูมิสูงสุดของเซลล์ตามลำดับ ความปลอดภัยให้ดัชนีการประเมินเชิงปริมาณที่แม่นยำและแม่นยำยิ่งขึ้น สภาวะการทดสอบที่ได้มาตรฐานสามารถช่วยในการสร้างฐานข้อมูลพฤติกรรมการหนีจากความร้อนของเซลล์ที่เป็นหนึ่งเดียวและเชื่อถือได้ และวิเคราะห์กลไกการระบายความร้อนของเซลล์ในระบบต่างๆ ปัญหาเหล่านี้ยากต่อการตรวจสอบเชิงปริมาณในการทดสอบการละเมิดทั่วไป

โปรแกรมจะควบคุมอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมการทดลอง EV-ARC อย่างแม่นยำเมื่อเทียบกับการทดลองใช้ความร้อนแบบปกติ และผลการทดสอบที่ได้รับจะมีความสามารถในการทำซ้ำได้ดีกว่าและตีความข้อมูลได้สูงกว่า ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญในการประเมินและวิจัยความปลอดภัยของเซลล์ วิธี. อย่างไรก็ตาม สภาพแวดล้อมทางวิ่งหนีความร้อนแบบอะเดียแบติกที่จำลองโดย EV-ARC ยังคงแตกต่างจากสภาพการใช้แบตเตอรี่จริงในทางที่ผิด ในการประเมินความปลอดภัยที่แท้จริงของเซลล์แบตเตอรี่ ยังคงต้องใช้วิธีการทดสอบจำนวนมากเพื่อจำลองสภาวะที่รุนแรงจริง

2.3 เทคโนโลยีการถ่ายภาพความเร็วสูง
เพื่อให้เข้าใจวิวัฒนาการของวัสดุและโครงสร้างภายในแบตเตอรี่ได้อย่างเป็นธรรมชาติมากขึ้นในระหว่างการหนีจากความร้อน นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการส่องกล้องด้วยกล้องจุลทรรศน์เอกซเรย์ (TXM) แบบส่งผ่านที่รวมการวัดอุณหภูมิแบบอินฟราเรดและการฝังเข็มในแหล่งกำเนิดด้วยฟังก์ชันเสริม เช่น 7(a) ถึง (ค) เนื่องจากการหลบหนีจากความร้อน ปฏิกิริยารุนแรงมักเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ ควบคู่ไปกับระยะรุนแรงและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง คุณลักษณะนี้กำหนดข้อกำหนดความละเอียดชั่วคราวที่ค่อนข้างสูงในวิธีการกำหนดลักษณะ TXM จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนของเอ็กซ์เรย์ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง X ในห้องปฏิบัติการนั้นมีจำกัด และใช้เวลานานในการรวบรวมชุดข้อมูลภาพ TXM

เนื่องจากแผนที่ฉายการส่งสัญญาณสามารถสะท้อนข้อมูลสองมิติได้ในทิศทางที่แน่นอนเท่านั้น หากการกระจายตัวของสสารในพื้นที่สามมิติที่แท้จริงนั้นต้องได้รับการหาปริมาณอย่างแม่นยำ จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพด้วยคอมพิวเตอร์ (computing tomography, CT) จากการสร้างใหม่ทุกๆ 500 TXM ผลลัพธ์ X-ray CT หนึ่งรายการสามารถเข้าถึง 2.5 เฟรมต่อวินาที โดยตระหนักถึงการถ่ายภาพการกระจายเชิงพื้นที่ภายในของแบตเตอรี่ด้วยความละเอียดของเวลาที่แน่นอน ผล CT สามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงของวัสดุแบตเตอรี่ได้อย่างชัดเจนในขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการระบายความร้อน เช่น ความเสียหายต่อชั้นวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรด การหลอมและการรวมตัวกันอีกครั้งของตัวเก็บกระแสทองแดง เป็นต้น

เมื่อรวมกับภาพฉายที่ได้จากเทคโนโลยี TXM และผลลัพธ์ของ X-ray CT ความเร็วสูง จะสามารถเข้าใจพฤติกรรมความล้มเหลวได้อย่างชัดเจน เช่น ปฏิกิริยา การผลิตก๊าซ และความเสียหายทางโครงสร้างของวัสดุต่างๆ ในตำแหน่งต่างๆ ภายในแบตเตอรี่ในระหว่าง กระบวนการหนีความร้อน ในทางกลับกัน การทดลองในแหล่งกำเนิด เช่น การฝังเข็ม การให้ความร้อนด้วยอินฟราเรด การอัดรีด และการยืดกล้ามเนื้อสามารถช่วยในการศึกษาและทำความเข้าใจพฤติกรรมความล้มเหลวของแบตเตอรี่ในระดับมหภาคต่างๆ

3 การวิจัยความปลอดภัยทางความร้อนของระบบ
ความปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่เป็นปัญหาโดยตรงที่สุดที่ต้องเผชิญกับการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมในปัจจุบัน ปัจจุบันไม่สามารถหลีกเลี่ยงทางหนีความร้อนของเซลล์เชิงพาณิชย์ได้อย่างสมบูรณ์ การป้องกันการขยายตัวทางความร้อนที่ระดับระบบเป็นวิธีแก้ไขปัญหาด้านความปลอดภัยที่เป็นไปได้ ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการวิจัยเชิงทดลองที่ระดับระบบนั้นสูง แต่ก็หลีกเลี่ยงไม่ได้ ด้วยความช่วยเหลือของการจำลอง การออกแบบระบบสามารถคาดการณ์และปรับให้เหมาะสมล่วงหน้าเพื่อลดต้นทุนการทดลอง

3.1 การทดสอบการขยายตัวทางความร้อนและการทดสอบอันตรายจากไฟไหม้
ค่าใช้จ่ายในการวิจัยเชิงทดลองและความเสี่ยงของการขยายตัวทางความร้อนของระบบแบตเตอรี่ค่อนข้างสูง วิธีการหลักคือการเหนี่ยวนำการระบายความร้อนของเซลล์แบตเตอรี่ผ่านการให้ความร้อน การชาร์จไฟเกิน และการฝังเข็ม และใช้เทอร์โมคัปเปิลแบบสัมผัส การวัดอุณหภูมิอินฟราเรด และวิธีการอื่นๆ เพื่อศึกษาอุณหภูมิในแบตเตอรี่ การกระจายและการเปลี่ยนแปลงในระบบ วิธีนี้สามารถรับข้อมูลการระบายความร้อนแบบหลายจุดในพื้นที่เท่านั้น การทดสอบข้างต้นสามารถประเมินความปลอดภัยและการสูญเสียความเสี่ยงในการควบคุมของแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ในระดับที่ใช้งานได้จริง โดยให้ข้อมูลที่สำคัญสำหรับการปรับปรุงความปลอดภัย การเตือนล่วงหน้า การป้องกันอัคคีภัย และการกำจัดภัยพิบัติ

3.2 การวิจัยก๊าซภัยพิบัติและการออกแบบโปรแกรมเตือนภัยล่วงหน้า
ในกระบวนการใช้งานจริงและความล้มเหลวในด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ องค์ประกอบและการสร้างก๊าซเป็นหัวข้อการวิจัยที่สำคัญ ซึ่งเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการเตือนล่วงหน้าเกี่ยวกับการหนีจากความร้อนของแบตเตอรี่ การระเบิด และการแพร่กระจายของไฟ ในแง่ของธรรมชาติของวัสดุ การทำให้เป็นแก๊สของอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ในแบตเตอรี่และปฏิกิริยาข้างเคียงที่อุณหภูมิสูงของส่วนประกอบที่ทำงานอยู่จะปล่อยก๊าซออกมา ก๊าซผสมที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะการให้ความร้อนสามารถวิเคราะห์ได้ด้วยแก๊สโครมาโตกราฟี-แมสสเปกตรัมสเปกตรัม, GC-MS), ฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (ฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี, FT-IR) และวิธีการอื่นๆ ในการวิเคราะห์องค์ประกอบ ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการตรวจจับก๊าซเหล่านี้ค่อนข้างจะโตเต็มที่ แต่ในกระบวนการวิจัยด้านความปลอดภัย

4. การวิจัยด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมยุคหน้า
การป้องกัน การเตือนล่วงหน้า และการคาดคะเนความปลอดภัยของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับความสัมพันธ์เชิงโครงสร้างและกิจกรรมจากระบบหนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งไปยังเซลล์ที่หนีจากความร้อนของวัสดุ เมื่อพิจารณาจากเหตุการณ์ไฟไหม้แบตเตอรี่ลิเธียมที่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่และวัสดุใหม่ หลังจากให้ความสนใจอย่างกว้างขวาง การวิจัยเกี่ยวกับความปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่นี้ก็เพิ่มขึ้น ฮิสเทรีซิสระหว่างการวิจัยความปลอดภัยของแบตเตอรี่และการวิจัยประสิทธิภาพเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่เป็นคุณลักษณะที่โดดเด่นของการวิจัยด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและความหนาแน่นของพลังงานสูงที่เกิดจากคลื่นไฟฟ้า คาดว่าอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟหรืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะถูกใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อแก้ปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่อย่างสมบูรณ์และได้พลังงานสูง ความหนาแน่น. อย่างไรก็ตาม ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับความเสถียรทางความร้อนของวัสดุภายในแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงปฏิกิริยาระหว่างวัสดุและสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนภายในแบตเตอรี่ด้วย

โดยสรุป เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในขณะที่พัฒนาแบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังงานสูง นักวิจัยจำเป็นต้องดำเนินการตรวจสอบและวิจัยด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในอนาคตพร้อม ๆ กันโดยเร็วที่สุดในขณะที่เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ไฟฟ้าเคมี การเข้าใจกลไกความล้มเหลวจากความร้อนของแบตเตอรี่และปัจจัยที่ส่งผลต่อความปลอดภัยของมิติต่างๆ อย่างชัดเจนและครอบคลุมเท่านั้น จึงจะสามารถป้องกันความปลอดภัยอย่างมีประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ในขั้นตอนการใช้งานได้ รูปที่ 8 แสดงวงจรการเจริญเติบโตทางเทคโนโลยีของวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ ๆ ในด้านแบตเตอรี่ตั้งแต่การวิจัยขั้นพื้นฐานไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก จะเห็นได้ว่าการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่จำนวนมากต้องใช้กำลังคนและทรัพยากรวัสดุเป็นจำนวนมาก และต้องใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะบรรลุการผลิตจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม, การตรวจสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่มักจะดำเนินการเมื่อแบตเตอรี่ใกล้เคียงกับการผลิตจำนวนมาก และมักจะมุ่งเป้าไปที่การผ่านการทดสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่มาตรฐาน และเป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใจพฤติกรรมด้านความปลอดภัยอย่างเป็นระบบและลึกซึ้ง และกลไกภายในซ่อนอยู่ อันตรายจากอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยในอนาคต สำหรับระบบแบตเตอรี่รุ่นแรกๆ เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานต่ำ ปัญหาด้านความปลอดภัยไม่เด่นชัด และความหนาแน่นของพลังงานของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนล่าสุดสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 300 W·h/kg เทคโนโลยีใหม่และระบบใหม่ มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า เทคโนโลยีและระบบใหม่เหล่านี้ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกำลังเผชิญกับความท้าทายด้านความปลอดภัยที่รุนแรงมากขึ้น ดังนั้นควรดำเนินการวิจัยด้านความปลอดภัยและขั้นตอนการตรวจสอบของแบตเตอรี่โดยเร็วที่สุด และควรดำเนินการแบตเตอรี่โดยเร็วที่สุดหลังจากกำหนดโครงสร้างเซลล์ขั้นพื้นฐานแล้ว การทดสอบความปลอดภัยและการวิจัยกลไกคาดว่าจะพร้อมในช่วงเริ่มต้นของขั้นตอนการผลิตจำนวนมากจริง เพื่อค้นหาลักษณะและพฤติกรรมด้านความปลอดภัย และเพื่อออกแบบการป้องกันที่สอดคล้องกันและมาตรการเตือนล่วงหน้า

ปัจจุบัน ระบบวัสดุของแบตเตอรี่เก็บพลังงานเคมียุคหน้ายังไม่ได้รับการสรุป วัสดุใหม่ที่อาจใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นใหม่ ได้แก่ วัสดุที่อุดมด้วยลิเธียม วัสดุแคโทดความจุสูงที่ปราศจากลิเธียม วัสดุแอโนดที่มีซิลิกอน วัสดุแอโนดโลหะลิเธียม และอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ฯลฯ หากพิจารณาถึงการใช้อิเล็กโทรดลบของโลหะลิเธียม แนวคิดเรื่องแบตเตอรี่ลิเธียมสามารถขยายออกไปได้อีก อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของรายงานทางวิชาการ มีรายงานเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับพฤติกรรมทางความร้อนของวัสดุใหม่ และความปลอดภัยในทางปฏิบัติของระบบใหม่ ในปัจจุบัน ความตระหนักด้านความปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่ลิเธียมใหม่ส่วนใหญ่ยังอยู่ในขั้นที่ไม่รู้จักหรือในระยะเริ่มต้น วิธีการวิจัยที่ทบทวนในบทความนี้ไม่เพียงแต่นำไปใช้เพื่อศึกษาความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่เท่านั้น แต่ยังสามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจความเสถียรทางความร้อนของระบบวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมใหม่ล่วงหน้าจากระดับวัสดุ และเพื่อคาดการณ์เซลล์และ ระบบตามวิธีการจำลอง มีความสำคัญเป็นแนวทางที่สำคัญในการเลือกเส้นทางทางเทคนิคของแบตเตอรี่ลิเธียมยุคหน้าและสร้างความมั่นใจว่าการนำเทคโนโลยีใหม่ของแบตเตอรี่ลิเธียมความหนาแน่นพลังงานสูงมาใช้อย่างราบรื่น " มีความสำคัญเป็นแนวทางที่สำคัญในการเลือกเส้นทางทางเทคนิคของแบตเตอรี่ลิเธียมยุคหน้าและสร้างความมั่นใจว่าการนำเทคโนโลยีใหม่ของแบตเตอรี่ลิเธียมความหนาแน่นพลังงานสูงมาใช้อย่างราบรื่น " มีความสำคัญเป็นแนวทางที่สำคัญในการเลือกเส้นทางทางเทคนิคของแบตเตอรี่ลิเธียมยุคหน้าและสร้างความมั่นใจว่าการนำเทคโนโลยีใหม่ของแบตเตอรี่ลิเธียมความหนาแน่นพลังงานสูงมาใช้อย่างราบรื่น "