這一成果為構建下一代高比能、高安全性電池體系提供思路

3月22日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所固態能源系統技術中心取得高比能鋰電池熱失控機理研究新成果。相關研究成果最近發表在《焦耳》(Joule)期刊上，中科院青島能源所助理研究員黃浪、助理研究員蘆濤為共同第一作者，崔光磊研究員為通訊作者。

在“碳達峰”和“碳中和”背景下，加速動力系統電動化成為新能源汽車發展的必然趨勢。然而，自燃、爆炸等電池熱失控現象頻頻發生，熱失控事故已經成為制約鋰離子電池進一步推廣與規模化應用的瓶頸。鋰電池作為新能源汽車動力系統的關鍵技術，提高電池安全性成為新能源產業健康持久發展的先決條件。因此，揭示電池熱失控機理和開發高安全性電池體系成為當前電池領域亟需解決的關鍵問題。黃浪表示，中科院青島能源所固態能源系統技術中心一直深耕于構建高比能、高安全性鋰電池體系，近年來取得了一系列突破性進展。

對于電池失控的研究分析，追根溯源，首先要了解其失控的引發反應。通過滴定-質譜聯用手段證明了鋰金屬負極氫化鋰(LiH)的存在，并且定量分析出LiH的積累量與實際鋰金屬電池的可循環性呈負相關，揭示了鋰金屬電池失效的關鍵機理(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7770–7776)。同時，科研人員在充分總結電池材料熱穩定性及其熱特性基礎上，提出電池材料(電極材料/電解質/添加劑等)之間的熱兼容性對電池安全性至關重要，單純提高某一組分的熱穩定性并無法確保電池整體安全性能的提升(Energy Storage Mater.，2020，31，72–86)。

黃浪表示，鑒于此，該所研究團隊通過原位/非原位耦合手段對三元高鎳電池(NCM523)失效機理進行了材料-電池層級的探索，開創性地在NCM三元電池負極側發現H-離子的存在，證實了該組分與電解液具有較差的熱兼容性，成為誘導電池升溫過程中鏈式放熱反應的主要觸因。而且，通過自主設計的原位檢測電池材料熱失控氣體穿梭測試裝置及方法(CN202011538153.3)，證明了石墨負極側產生的H2可穿梭至正極側，從而加速劇烈放熱行為，成為引發電池熱失控的關鍵觸因(Adv. Sci.，2021，2100676)。

據介紹，近年來，續航里程的焦慮對鋰電池的能量密度提出了更高要求，而傳統鋰離子電池的理論能量密度正接近其極限(350 Wh/kg)。相比于石墨負極，金屬鋰具有極低的電極電位和極高的理論比容量，被認為是下一代高能量密度電池的有力競爭者。金屬鋰負極搭配硫正極的鋰硫(Li-S)電池因其超高的理論能量密度(2500 Wh/kg)而成為最具吸引力的電池體系之一，極具商業潛力。不過其熱安全評估的研究步伐卻明顯滯后。固態能源系統中心科研人員系統地研究了Li-S軟包中電解質/電極的熱兼容性、多硫化物穿梭對電池熱安全的影響以及電解質的分解路線，揭示了Li-S電池的放熱鏈式反應最初是由硫正極衍生物與電解液溶劑反應引發，然后由鋰金屬負極與電解液以及熔融硫的反應加速。

全固態Li-S軟包電池熱失控曲線及其觸發機理示意圖。圖/黃浪 張霄虎

黃浪表示，研究人員還采用具有不同熱穩定性的電解質體系(包括無機全固態電解質Li6PS5Cl)來研究Li-S電池熱失控過程中的特點。研究發現，不同電解質體系的Li-S軟包均在一個相對集中的溫度范圍內發生快速熱失控，使用無機固態電解質Li6PS5Cl也不能阻止Li-S軟包的熱失控。在經過系統的原位-非原位界面分析后，發現這主要是由于Li-S體系中，硫正極升華、熔化以及負極鋰金屬熔融導致正負極在高溫下發生串擾反應所致。

“本研究對Li-S體系熱失控路徑的細致剖析將為構建下一代高比能、高安全性電池體系提供有益啟發。”黃浪表示。

關鍵詞： 能量密度 能源系統 熱穩定性 助理研究員 金屬電池