高安全性鋰電池研究獲新發(fā)現(xiàn) 為預(yù)防電池失控提供啟發(fā)

2022年3月17日，中國科研團隊開創(chuàng)性地在NCM三元電池負極側(cè)發(fā)現(xiàn)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，為誘導(dǎo)電池升溫過程中鏈式放熱反應(yīng)的主要觸因。另外，該研究對Li-S體系熱失控路徑的細致剖析將為構(gòu)建下一代高比能、高安全性電池體系提供有益啟發(fā)。

據(jù)了解，相關(guān)成果于近日發(fā)表在《焦耳》（JOULE）上。

在推動碳達峰碳中和背景下，加速動力系統(tǒng)電動化成為新能源汽車發(fā)展的必然趨勢。鋰電池作為新能源汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其安全隱患隨著能量密度的提升日益凸顯，自燃、爆炸等電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象頻頻發(fā)生，熱失控事故已成為制約鋰離子電池進一步推廣與規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸問題，提高電池安全性也成為新能源產(chǎn)業(yè)健康持久發(fā)展的先決條件。因此，揭示電池?zé)崾Э貦C理和開發(fā)高安全性電池體系成為當(dāng)前電池領(lǐng)域亟須解決的關(guān)鍵課題。

值得關(guān)注的是，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心一直致力于構(gòu)建高比能、高安全性鋰電池體系，近年來取得了一系列進展。

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(fā)反應(yīng)。研究人員通過滴定-質(zhì)譜聯(lián)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(huán)性呈負相關(guān)，揭示了鋰金屬電池失效的關(guān)鍵機理（Angew.Chem.Int.Ed.2021，60，7770-7776）。同時，在充分總結(jié)電池材料熱穩(wěn)定性及其熱特性基礎(chǔ)上，研究人員提出，電池材料（電極材料/電解質(zhì)/添加劑等）之間的熱兼容性對電池安全性至關(guān)重要，單純地提高某一組分的熱穩(wěn)定性無法確保電池整體安全性能的提升（Energy Storage Mater.，2020，31，72-86）。

鑒于此，該團隊通過原位/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(chuàng)性地在NCM三元電池負極側(cè)發(fā)現(xiàn)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，為誘導(dǎo)電池升溫過程中鏈式放熱反應(yīng)的主要觸因。而且，研究通過自主設(shè)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(cè)產(chǎn)生的H2可穿梭至正極側(cè)，從而加速劇烈放熱行為，成為引發(fā)電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵觸因（Adv.Sci.，2021，2100676）。

近年來，續(xù)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(tǒng)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（2 500 Wh/kg）已成為最具吸引力的電池體系之一。不過，其熱安全評估的研究步伐卻明顯滯后。固態(tài)能源系統(tǒng)中心研究人員系統(tǒng)研究了Li-S軟包中電解質(zhì)/電極的熱兼容性、多硫化物穿梭對電池?zé)岚踩挠绊懸约半娊赓|(zhì)的分解路線，揭示了Li-S電池的放熱鏈式反應(yīng)由硫正極衍生物與電解液溶劑反應(yīng)引發(fā)，由鋰金屬負極與電解液以及熔融硫的反應(yīng)加速。

此外，研究人員采用具有不同熱穩(wěn)定性的電解質(zhì)體系（包括無機全固態(tài)電解質(zhì)Li6PS5Cl）來研究Li-S電池?zé)崾Э剡^程中的特點。研究發(fā)現(xiàn)，不同電解質(zhì)體系的Li-S軟包均在一個相對集中的溫度范圍內(nèi)發(fā)生快速熱失控，使用無機固態(tài)電解質(zhì)Li6PS5Cl也不能阻止Li-S軟包的熱失控。在經(jīng)過系統(tǒng)的原位-非原位界面分析后，研究發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致正負極在高溫下發(fā)生串?dāng)_反應(yīng)所致。

（來源：環(huán)球網(wǎng)）