這一成果為構(gòu)建下一代高比能、高安全性電池體系提供思路

3月22日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心取得高比能鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理研究新成果。相關(guān)研究成果最近發(fā)表在《焦耳》(Joule)期刊上，中科院青島能源所助理研究員黃浪、助理研究員蘆濤為共同第一作者，崔光磊研究員為通訊作者。

在“碳達(dá)峰”和“碳中和”背景下，加速動力系統(tǒng)電動化成為新能源汽車發(fā)展的必然趨勢。然而，自燃、爆炸等電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象頻頻發(fā)生，熱失控事故已經(jīng)成為制約鋰離子電池進(jìn)一步推廣與規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸。鋰電池作為新能源汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，提高電池安全性成為新能源產(chǎn)業(yè)健康持久發(fā)展的先決條件。因此，揭示電池?zé)崾Э貦C(jī)理和開發(fā)高安全性電池體系成為當(dāng)前電池領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。黃浪表示，中科院青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心一直深耕于構(gòu)建高比能、高安全性鋰電池體系，近年來取得了一系列突破性進(jìn)展。

對于電池失控的研究分析，追根溯源，首先要了解其失控的引發(fā)反應(yīng)。通過滴定-質(zhì)譜聯(lián)用手段證明了鋰金屬負(fù)極氫化鋰(LiH)的存在，并且定量分析出LiH的積累量與實(shí)際鋰金屬電池的可循環(huán)性呈負(fù)相關(guān)，揭示了鋰金屬電池失效的關(guān)鍵機(jī)理(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7770–7776)。同時，科研人員在充分總結(jié)電池材料熱穩(wěn)定性及其熱特性基礎(chǔ)上，提出電池材料(電極材料/電解質(zhì)/添加劑等)之間的熱兼容性對電池安全性至關(guān)重要，單純提高某一組分的熱穩(wěn)定性并無法確保電池整體安全性能的提升(Energy Storage Mater.，2020，31，72–86)。

黃浪表示，鑒于此，該所研究團(tuán)隊(duì)通過原位/非原位耦合手段對三元高鎳電池(NCM523)失效機(jī)理進(jìn)行了材料-電池層級的探索，開創(chuàng)性地在NCM三元電池負(fù)極側(cè)發(fā)現(xiàn)H-離子的存在，證實(shí)了該組分與電解液具有較差的熱兼容性，成為誘導(dǎo)電池升溫過程中鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)的主要觸因。而且，通過自主設(shè)計(jì)的原位檢測電池材料熱失控氣體穿梭測試裝置及方法(CN202011538153.3)，證明了石墨負(fù)極側(cè)產(chǎn)生的H2可穿梭至正極側(cè)，從而加速劇烈放熱行為，成為引發(fā)電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵觸因(Adv. Sci.，2021，2100676)。

據(jù)介紹，近年來，續(xù)航里程的焦慮對鋰電池的能量密度提出了更高要求，而傳統(tǒng)鋰離子電池的理論能量密度正接近其極限(350 Wh/kg)。相比于石墨負(fù)極，金屬鋰具有極低的電極電位和極高的理論比容量，被認(rèn)為是下一代高能量密度電池的有力競爭者。金屬鋰負(fù)極搭配硫正極的鋰硫(Li-S)電池因其超高的理論能量密度(2500 Wh/kg)而成為最具吸引力的電池體系之一，極具商業(yè)潛力。不過其熱安全評估的研究步伐卻明顯滯后。固態(tài)能源系統(tǒng)中心科研人員系統(tǒng)地研究了Li-S軟包中電解質(zhì)/電極的熱兼容性、多硫化物穿梭對電池?zé)岚踩挠绊懸约半娊赓|(zhì)的分解路線，揭示了Li-S電池的放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最初是由硫正極衍生物與電解液溶劑反應(yīng)引發(fā)，然后由鋰金屬負(fù)極與電解液以及熔融硫的反應(yīng)加速。

全固態(tài)Li-S軟包電池?zé)崾Э厍€及其觸發(fā)機(jī)理示意圖。圖/黃浪 張霄虎

黃浪表示，研究人員還采用具有不同熱穩(wěn)定性的電解質(zhì)體系(包括無機(jī)全固態(tài)電解質(zhì)Li6PS5Cl)來研究Li-S電池?zé)崾Э剡^程中的特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，不同電解質(zhì)體系的Li-S軟包均在一個相對集中的溫度范圍內(nèi)發(fā)生快速熱失控，使用無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)Li6PS5Cl也不能阻止Li-S軟包的熱失控。在經(jīng)過系統(tǒng)的原位-非原位界面分析后，發(fā)現(xiàn)這主要是由于Li-S體系中，硫正極升華、熔化以及負(fù)極鋰金屬熔融導(dǎo)致正負(fù)極在高溫下發(fā)生串?dāng)_反應(yīng)所致。

“本研究對Li-S體系熱失控路徑的細(xì)致剖析將為構(gòu)建下一代高比能、高安全性電池體系提供有益啟發(fā)?！秉S浪表示。

關(guān)鍵詞： 能量密度 能源系統(tǒng) 熱穩(wěn)定性 助理研究員 金屬電池