我國科學(xué)家在預(yù)防鋰電池?zé)崾Э胤矫嫒〉眯逻M(jìn)展
背 景
隨著電動汽車與儲能電站的快速發(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
在 國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、北京分子科學(xué)國家研究中心 的支持下，化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)實驗室白春禮研究員、郭玉國研究員、張瑩副研究員，基于前期在電池?zé)岚踩珯C制（Sci. Adv.2023,9(5):eade5802）和聚合物電解質(zhì)設(shè)計（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)計策略。
該團(tuán)隊在正極內(nèi)部構(gòu)建 阻燃界面（FRI），通過溫度響應(yīng)機制實現(xiàn)雙重防護(hù)：
當(dāng)電芯溫度升至100℃時，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。在熱濫用測試中，首次實現(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）
通過氣相色譜-質(zhì)譜分析證實，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。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》報道。美國SLAC 國家加速器實驗室斯坦福電池研究中心執(zhí)行主任 Jagjit Nanda 教授評價：“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，還可拓展至鋰離子和鋰硫體系?！蔽恼碌谝蛔髡邽椴┦亢蠊〕?、博士生柴聰正，通訊作者為張瑩副研究員、郭玉國研究員、白春禮研究員。
