三元锂离子电池热失控研究趋势【能源人都在看

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通讯作者：何向明，王莉
锂离子电池实现了蓄电池和汽车动力百年来的历史性突破，在信息、能源和动力产业中担当日益重要的作用，是助推人类第三次能源革命和第四次工业革命的重要支撑，三位对锂离子电池技术贡献最大的科学家因此获得了2019年诺贝尔化学奖。然而，锂离子电池高比能量的特性，使得偶发的“热失控”安全故障往往导致燃烧、爆炸等灾害性事故，导致大众安全焦虑。这不仅影响了锂离子电池的快速发展，也制约了其在核安全、军工等对安全性和可靠性要求高的领域中的应用。了解热失控的过程和机理是避免热失控的前提。
从这个角度出发，清华大学何向明、王莉等人基于长期研究经验与最新发现，针对高比能量三元锂离子电池热失控的研究进展与趋势展开评述，通过展示课题组三元锂离子电池热失控研究的最新数据，重点讨论了电解液在减缓热失控早期温升的正向作用机制，重新思考了液体电解质在热失控中的角色。
该工作在Battery Energy创刊号上以题为“ Trends in study on thermal runaway mechanism of lithium-ion battery with LiNixMnyCo1-x-yO2 cathode materials”发表（DOI:10.1002/bte2.20210011），并成为创刊号封面。
【工作介绍】
文章对研究热失控机制的未来方向进行了展望，提出热化学和热物理的两个研究领域各需关注多尺度下的化学反应和热传导，并聚焦电化学方法、热化学分析方法、先进微结构/谱学表征和失效电池“逆向解析” ，提出了急需开展的研究工作。
本综述篇幅为7个出版页面，内含3幅重要的图，现摘取几个要点进行介绍：
【三元锂离子电池热失控研究趋势】

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图1.锂离子电池热失控研究发展史
本文首先简要介绍了锂离子电池热失控研究发展史和目前公认的大致过程与机制（见图1），统计了包括磷酸铁锂、三元、锰酸锂、钴酸锂等主流正极材料在内锂离子电池体系的热失控行为规律。热失控的一连串的放热反应常常以电解液与负极的界面放热反应为先，大多数研究者也倾向认为可燃的有机液态电解液是锂离子电池热失控中燃烧特性的始作俑者之一。
本文作者认为此看法并不全面。通过比较试验，相同充电态下没有电解液和隔膜的电池在温升早期放热最为明显（见图2），有隔膜没有电解液的电池次之，而正常的有电解液和隔膜的锂离子电池放热最慢。虽然原因并未完全掌握，但实验结果显示有机电解液的存在可能会起到减缓正负极间串扰（气相氧化/还原物质在液相中的扩散要比气相中慢很多）；同时汽化过程中吸热，也会有降低温升的功效。
从这个意义上讲，即便是可燃的有机电解液，在热失控初期也可能起到减缓电池自加热温升速率的正向作用。这有待未来进一步深入研究。这个实验结果另外一个可能的启示为：与对锂离子电池材料层面的深入理解相比，研究者对其电极、器件复杂体系的理解相对较浅，还有很长的路要走。

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图2.（a）为研究电解液减缓热失控效果重新组装软包电池工艺示意图；（b）三种特殊设计电池绝热热失控试验温升速率与绝对温度的关系。插图是虚线标记区域的放大图。