研究发现高镍锂电池热失控“真凶”

来源： 青岛生物能源与过程研究所

语音播报

随着电动汽车与储能产业的发展，市场对锂离子电池能量密度的需求持续攀升。在众多正极材料中，高镍层状材料因高比容量、良好倍率性能和较低成本，成为当前商业化的主流选择。然而，伴随能量密度提升而来的严重安全隐患特别是热失控风险，成为制约其大规模应用的瓶颈。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所科研团队致力于高比能、高安全电池体系的设计，前期通过表征设备及研究方法的创新，阐述了电池热失控过程中负极界面产气及气体串扰行为，揭示了负极产氢及其穿梭反应对电池放热反应的影响机制。

在电池热失控过程中，除了负极，高镍正极对电池热失控也具有重要影响。前期研究表明，在热失控过程中，正极引发的放热链式反应主要通过两条路径：一是体相结构失稳与氧释放，二是表界面副反应加剧。为提升电池安全性，是优先优化材料体相结构稳定性还是抑制界面副反应，这一相互交织的难题亟待破解。

近期，研究团队对比不同镍含量电池在循环老化前后的热失控行为，并结合多种原位-非原位测试手段，通过材料-界面-电池多尺度表征技术，定量分析热失控不同阶段的界面反应及正极材料相变释氧主导作用，揭示了高镍电池体系中热失控由正极/电解液界面放热反应主导而非传统认为的氧释放，在中低镍电池中晶格氧释放及后续反应是热失控的关键驱动因素。

进一步，科研团队探讨了高镍体系中界面反应引发的热失效机制，通过原子层面的实验表征结合仿真模拟，揭示了正极/电解液界面的恶性循环路径——材料各向异性体积变化与H2-H3相变诱发裂纹→加速电解液渗透→副反应产气→气体压力助推裂纹扩展→进一步加剧反应。这种自加速的“反应-产气-开裂”恶性循环导致不可控的级联热失控。

该研究建立微观结构失效与宏观热失控行为的定量关联，为高镍电池安全设计指明了方向：对于超高镍体系，需重点阻断界面反应链，如强化界面包覆、开发耐氧化电解液；对于中低镍体系，应着力提升体相结构稳定性，如梯度掺杂、单晶化。这一发现打破了“体相优先”的传统思维定式，有望推动新一代动力电池在能量密度与安全性双重指标上实现跃升。

相关研究成果发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。

论文链接

高镍电池热失控过程正极/电解液界面的电化学–热–力多尺度反应演化机制示意图

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例如封装电池：