青岛能源所在高比能锂电池热失控机理研究方面取得新进展

　　对于电池失控的研究分析，追根溯源，首先要了解其失控的引发反应。通过滴定-质谱联用手段证明了锂金属负极氢化锂（LiH）的存在，并且定量分析出LiH的积累量与实际锂金属电池的可循环性呈负相关，揭示了锂金属电池失效的关键机理(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7770–7776)。同时，科研人员在充分总结电池材料热稳定性及其热特性基础上，提出电池材料（电极材料/电解质/添加剂等）之间的热兼容性对电池安全性至关重要，单纯提高某一组分的热稳定性并无法确保电池整体安全性能的提升(Energy Storage Mater.，2020，31，72–86)。鉴于此，该团队通过原位/非原位耦合手段对三元高镍电池(NCM523)失效机理进行了材料-电池层级的探索，开创性地在NCM三元电池负极侧发现H-离子的存在，且证实了该组分与电解液具有较差的热兼容性，成为诱导电池升温过程中链式放热反应的主要触因。而且，通过自主设计的原位检测电池材料热失控气体穿梭测试装置及方法(CN202011538153.3)，证明了石墨负极侧产生的H2可穿梭至正极侧，从而加速剧烈放热行为，成为引发电池热失控的关键触因(Adv. Sci.，2021，2100676)。

　　近年来，续航里程的焦虑对锂电池的能量密度提出了更高要求，而传统锂离子电池的理论能量密度正接近其极限（350 Wh/kg）。相比于石墨负极，金属锂具有极低的电极电位和极高的理论比容量，被认为是下一代高能量密度电池的有力竞争者。金属锂负极搭配硫正极的锂硫（Li-S）电池因其超高的理论能量密度（2500 Wh/kg）而成为最具吸引力的电池体系之一，极具商业潜力。不过其热安全评估的研究步伐却明显滞后。固态能源系统中心科研人员系统地研究了Li-S软包中电解质/电极的热兼容性、多硫化物穿梭对电池热安全的影响以及电解质的分解路线，揭示了Li-S电池的放热链式反应最初是由硫正极衍生物与电解液溶剂反应引发，然后由锂金属负极与电解液以及熔融硫的反应加速。

　　

　　图1 全固态Li-S软包电池热失控曲线及其触发机理示意图

　　　　此外，研究人员采用具有不同热稳定性的电解质体系（包括无机全固态电解质Li6PS5Cl）来研究Li-S电池热失控过程中的特点。研究发现，不同电解质体系的Li-S 软包均在一个相对集中的温度范围内发生快速热失控，使用无机固态电解质Li6PS5Cl也不能阻止Li-S 软包的热失控。在经过系统的原位-非原位界面分析后，发现这主要是由于Li-S体系中，硫正极升华、熔化以及负极锂金属熔融导致正负极在高温下发生串扰反应所致。本研究对Li-S体系热失控路径的细致剖析将为构建下一代高比能、高安全性电池体系提供有益启发。

　　相关研究成果最近发表在Joule《焦耳》期刊上，青岛能源所助理研究员黄浪、助理研究员芦涛为共同第一作者，崔光磊研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金，山东省自然科学基金等项目的支持与资助。

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.02.015

　　Lang Huang#; Tao Lu#; Gaojie Xu; Xiaohu Zhang; Zhaoxuan Jiang; Zengqi Zhang; Yantao Wang; Pengxian Han; Guanglei Cui*; Liquan Chen ; Thermal runaway routes of large-format lithium-sulfur pouch cell batteries, Joule,