在推動碳達峰碳中和背景下，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。鋰電池作為新能源汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其安全隱患隨著能量密度的提升日益凸顯，自燃、爆炸等電池熱失控現(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一步推廣與規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸問題，提高電池安全性也成為新能源產(chǎn)業(yè)健康持久發(fā)展的先決條件。因此，揭示電池熱失控機理和開發(fā)高安全性電池體系成為當前電池領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵課題。

值得關(guān)注的是，中國科學院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心一直致力于構(gòu)建高比能、高安全性鋰電池體系，近年來取得了一系列進展。

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)。研究人員通過滴定-質(zhì)譜聯(lián)用手段證明了鋰金屬負極氫化鋰的存在，并且定量分析出鋰金屬負極氫化鋰的積累量與實際鋰金屬電池的可循環(huán)性呈負相關(guān)，揭示了鋰金屬電池失效的關(guān)鍵機理。同時，在充分總結(jié)電池材料熱穩(wěn)定性及其熱特性基礎(chǔ)上，研究人員提出，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)定性無法確保電池整體安全性能的提升。

鑒于此，該團隊通過原位/非原位耦合手段對三元高鎳電池（失效機理進行了材料-電池層級的探索，開創(chuàng)性地在NCM三元電池負極側(cè)發(fā)現(xiàn)H-離子的存在，證實了該組分與電解液具有較差的熱兼容性，為誘導電池升溫過程中鏈式放熱反應(yīng)的主要觸因。而且，研究通過自主設(shè)計的原位檢測電池材料熱失控氣體穿梭測試裝置及方法，證明了石墨負極側(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)電池熱失控的關(guān)鍵觸因。

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。相比于石墨負極，金屬鋰具有極低的電極電位和極高的理論比容量，被認為是下一代高能量密度電池的有力競爭者。金屬鋰負極搭配硫正極的鋰硫電池因其超高的理論能量密度）已成為最具吸引力的電池體系之一。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)中心研究人員系統(tǒng)研究了鋰硫軟包中電解質(zhì)/電極的熱兼容性、多硫化物穿梭對電池熱安全的影響以及電解質(zhì)的分解路線，揭示了鋰硫電池的放熱鏈式反應(yīng)由硫正極衍生物與電解液溶劑反應(yīng)引發(fā)，由鋰金屬負極與電解液以及熔融硫的反應(yīng)加速。

此外，研究人員采用具有不同熱穩(wěn)定性的電解質(zhì)體系（包括無機全固態(tài)電解質(zhì)Li6PS5Cl）來研究鋰硫電池熱失控過程中的特點。研究發(fā)現(xiàn)，不同電解質(zhì)體系的鋰硫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，使用無機固態(tài)電解質(zhì)Li6PS5Cl也不能阻止鋰硫軟包的熱失控。在經(jīng)過系統(tǒng)的原位-非原位界面分析后，研究發(fā)現(xiàn)這主要是由于鋰硫體系中，硫正極升華、熔化以及負極鋰金屬熔融導致正負極在高溫下發(fā)生串擾反應(yīng)所致。該研究對鋰硫體系熱失控路徑的細致剖析將為構(gòu)建下一代高比能、高安全性電池體系提供有益啟發(fā)。