對(duì)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)。通過(guò)滴定-質(zhì)譜聯(lián)用手段證明了鋰金屬負(fù)極氫化鋰（LiH）的存在，并且定量分析出LiH的積累量與實(shí)際鋰金屬電池的可循環(huán)性呈負(fù)相關(guān)，揭示了鋰金屬電池失效的關(guān)鍵機(jī)理(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7770–7776)。同時(shí)，科研人員在充分總結(jié)電池材料熱穩(wěn)定性及其熱特性基礎(chǔ)上，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(duì)電池安全性至關(guān)重要，單純提高某一組分的熱穩(wěn)定性并無(wú)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(tuán)隊(duì)通過(guò)原位/非原位耦合手段對(duì)三元高鎳電池(NCM523)失效機(jī)理進(jìn)行了材料-電池層級(jí)的探索，開(kāi)創(chuàng)性地在NCM三元電池負(fù)極側(cè)發(fā)現(xiàn)H-離子的存在，且證實(shí)了該組分與電解液具有較差的熱兼容性，成為誘導(dǎo)電池升溫過(guò)程中鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)的主要觸因。而且，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的原位檢測(cè)電池材料熱失控氣體穿梭測(cè)試裝置及方法(CN202011538153.3)，證明了石墨負(fù)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(lái)，續(xù)航里程的焦慮對(duì)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(fù)極，金屬鋰具有極低的電極電位和極高的理論比容量，被認(rèn)為是下一代高能量密度電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。金屬鋰負(fù)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(yè)潛力。不過(guò)其熱安全評(píng)估的研究步伐卻明顯滯后。固態(tài)能源系統(tǒng)中心科研人員系統(tǒng)地研究了Li-S軟包中電解質(zhì)/電極的熱兼容性、多硫化物穿梭對(duì)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?zhǔn)椒磻?yīng)最初是由硫正極衍生物與電解液溶劑反應(yīng)引發(fā)，然后由鋰金屬負(fù)極與電解液以及熔融硫的反應(yīng)加速。

 

圖1 全固態(tài)Li-S軟包電池?zé)崾Э厍€及其觸發(fā)機(jī)理示意圖

 

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(wú)機(jī)全固態(tài)電解質(zhì)Li6PS5Cl）來(lái)研究Li-S電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，不同電解質(zhì)體系的Li-S 軟包均在一個(gè)相對(duì)集中的溫度范圍內(nèi)發(fā)生快速熱失控，使用無(wú)機(jī)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(guò)系統(tǒng)的原位-非原位界面分析后，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(fù)極鋰金屬熔融導(dǎo)致正負(fù)極在高溫下發(fā)生串?dāng)_反應(yīng)所致。本研究對(duì)Li-S體系熱失控路徑的細(xì)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)。 相關(guān)研究成果最近發(fā)表在Joule《焦耳》期刊上，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。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持與資助。