研究發現高鎳鋰電池熱失控“真兇”

　　隨著電動汽車與儲能產業的發展，市場對鋰離子電池能量密度的需求持續攀升。在眾多正極材料中，高鎳層狀材料因高比容量、良好倍率性能和較低成本，成為當前商業化的主流選擇。然而，伴隨能量密度提升而來的嚴重安全隱患特別是熱失控風險，成為制約其大規模應用的瓶頸。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所科研團隊致力于高比能、高安全電池體系的設計，前期通過表征設備及研究方法的創新，闡述了電池熱失控過程中負極界面產氣及氣體串擾行為，揭示了負極產氫及其穿梭反應對電池放熱反應的影響機制。

　　在電池熱失控過程中，除了負極，高鎳正極對電池熱失控也具有重要影響。前期研究表明，在熱失控過程中，正極引發的放熱鏈式反應主要通過兩條路徑：一是體相結構失穩與氧釋放，二是表界面副反應加劇。為提升電池安全性，是優先優化材料體相結構穩定性還是抑制界面副反應，這一相互交織的難題亟待破解。

　　近期，研究團隊對比不同鎳含量電池在循環老化前后的熱失控行為，并結合多種原位-非原位測試手段，通過材料-界面-電池多尺度表征技術，定量分析熱失控不同階段的界面反應及正極材料相變釋氧主導作用，揭示了高鎳電池體系中熱失控由正極/電解液界面放熱反應主導而非傳統認為的氧釋放，在中低鎳電池中晶格氧釋放及后續反應是熱失控的關鍵驅動因素。

　　進一步，科研團隊探討了高鎳體系中界面反應引發的熱失效機制，通過原子層面的實驗表征結合仿真模擬，揭示了正極/電解液界面的惡性循環路徑——材料各向異性體積變化與H2-H3相變誘發裂紋→加速電解液滲透→副反應產氣→氣體壓力助推裂紋擴展→進一步加劇反應。這種自加速的“反應-產氣-開裂”惡性循環導致不可控的級聯熱失控。

　　該研究建立微觀結構失效與宏觀熱失控行為的定量關聯，為高鎳電池安全設計指明了方向：對于超高鎳體系，需重點阻斷界面反應鏈，如強化界面包覆、開發耐氧化電解液；對于中低鎳體系，應著力提升體相結構穩定性，如梯度摻雜、單晶化。這一發現打破了“體相優先”的傳統思維定式，有望推動新一代動力電池在能量密度與安全性雙重指標上實現躍升。

　　相關研究成果發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上。