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)。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，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，且證實了該組分與電解液具有較差的熱兼容性，成為誘導(dǎo)電池升溫過程中鏈式放熱反應(yīng)的主要觸因。而且，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（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)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，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。本研究對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)。 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。該工作得到了國家自然科學(xué)基金，山東省自然科學(xué)基金等項目的支持與資助。