我國(guó)科學(xué)家在預(yù)防鋰電池?zé)崾Э胤矫嫒〉眯逻M(jìn)展
背 景
隨著電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能電站的快速發(fā)展，鋰金屬電池雖有望突破500Wh/kg的能量密度極限，卻面臨嚴(yán)峻安全挑戰(zhàn)。高鎳正極在200℃時(shí)即分解釋放氧氣，金屬鋰負(fù)極與電解液反應(yīng)生成氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w，正負(fù)極氣體在密閉空間相遇易觸發(fā)劇烈反應(yīng)（如鋰氧反應(yīng)放熱高達(dá)1197kJ/mol），最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э厣踔帘?。因此，開發(fā)兼顧高能量與高安全的電池技術(shù)成為行業(yè)的迫切需求。
研 究 團(tuán) 隊(duì)
在 國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心 的支持下，化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室白春禮研究員、郭玉國(guó)研究員、張瑩副研究員，基于前期在電池?zé)岚踩珯C(jī)制（Sci. Adv.2023,9(5):eade5802）和聚合物電解質(zhì)設(shè)計(jì)（Adv. Energy Mater. 2020,10 (3),1903325）的研究積累，創(chuàng)新提出“阻燃界面用于智能氣體管理”的設(shè)計(jì)策略。
該團(tuán)隊(duì)在正極內(nèi)部構(gòu)建 阻燃界面（FRI），通過(guò)溫度響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙重防護(hù)：
當(dāng)電芯溫度升至100℃時(shí)，F(xiàn)RIs釋放含磷自由基并遷移至負(fù)極表面，猝滅電解液熱解產(chǎn)生的H·、CH·等活性基團(tuán)，使可燃?xì)怏w生成量下降 63%；同時(shí)抑制正極49%的氧氣釋放，從源頭切斷爆炸反應(yīng)鏈。在熱濫用測(cè)試中，首次實(shí)現(xiàn)0.6Ah鋰金屬軟包電芯零爆炸。
正極阻燃界面抑制電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣實(shí)現(xiàn)高安全理金屬電池
在0.6 Ah鋰金屬軟包電芯（匹配高鎳正極）的熱安全測(cè)試中，該策略展現(xiàn)出突破性防護(hù)效果：
熱失控峰值溫度從1038℃降至220℃
升溫速率降低40000倍（從43300℃/min降低至1.1℃/min）
通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜分析證實(shí)，電芯內(nèi)部整體產(chǎn)氣量減少63%，其中可燃?xì)怏w占比從62%降至19%
由此顯著緩解電池內(nèi)部壓力積聚，并大幅降低電池爆炸風(fēng)險(xiǎn)。這些研究結(jié)果為開發(fā)高比能、高安全的電池技術(shù)提供了新思路。
研 究 成 果
相關(guān)成果以《A Fire-Safe Li Metal Battery via Smart Gas Management》為題發(fā)表于《PNAS》（doi.org/10.1073/pnas.2501549122），并被《New Scientist》報(bào)道。美國(guó)SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室斯坦福電池研究中心執(zhí)行主任 Jagjit Nanda 教授評(píng)價(jià)：“這一創(chuàng)新策略不僅顯著降低了鋰金屬電池的起火風(fēng)險(xiǎn)，還可拓展至鋰離子和鋰硫體系?！蔽恼碌谝蛔髡邽椴┦亢蠊〕健⒉┦可衤斦?，通訊作者為張瑩副研究員、郭玉國(guó)研究員、白春禮研究員。
