【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著電動(dòng)汽車與儲能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，市場對鋰離子電池能量密度的需求持續(xù)攀升。在眾多正極材料中，高鎳層狀材料(LiNixCoyMnzO2, x≥0.6，簡稱NR-NCM)因其高比容量、良好倍率性能和較低成本，成為當(dāng)前商業(yè)化的主流選擇。然而，伴隨能量密度提升而來的嚴(yán)重安全隱患——特別是熱失控(TR)風(fēng)險(xiǎn)，成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
 

　　青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心長期致力于高比能、高安全電池體系的設(shè)計(jì)，前期通過表征設(shè)備及研究方法的創(chuàng)新，系統(tǒng)闡述了電池?zé)崾Э剡^程中負(fù)極界面產(chǎn)氣及氣體串?dāng)_行為，揭示了負(fù)極產(chǎn)氫及其穿梭反應(yīng)對電池放熱反應(yīng)的影響機(jī)制。
 

　　在電池?zé)崾Э剡^程中，除了負(fù)極，高鎳正極對電池?zé)崾Э匾簿哂兄匾绊?。前期研究表明，熱失控過程中，正極引發(fā)的放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)主要通過兩條路徑：一是體相結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與氧釋放：高溫下高鎳材料易發(fā)生相變(層狀→尖晶石→巖鹽相)，晶格氧析出并與電解液、負(fù)極反應(yīng)，引發(fā)劇烈放熱；二是表界面副反應(yīng)加?。焊唠妷簯B(tài)下高活性過渡金屬與電解液反應(yīng)，鋰脫嵌導(dǎo)致的晶格應(yīng)變會誘發(fā)微裂紋，加速副反應(yīng)。為了提升電池安全性，究竟該優(yōu)先優(yōu)化材料體相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還是抑制界面副反應(yīng)，這一相互交織的難題亟待破解。
 

　　近期，固態(tài)能源技術(shù)中心通過系統(tǒng)對比不同鎳含量(Ni60, Ni80, Ni90)電池在循環(huán)老化前后的熱失控行為，并結(jié)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(shù)，定量分析熱失控不同階段的界面反應(yīng)及正極材料相變釋氧主導(dǎo)作用，揭示了在高鎳電池(≥80%)體系中，熱失控主要由正極/電解液界面放熱反應(yīng)主導(dǎo)，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的氧釋放；而在中低鎳電池中，晶格氧釋放及后續(xù)反應(yīng)才是熱失控的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。
 

圖1 高鎳電池?zé)崾Э剡^程正極/電解液界面的電化學(xué)–熱–力多尺度反應(yīng)演化機(jī)制示意圖

 

　　進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)深入探討了高鎳體系中界面反應(yīng)引發(fā)的熱失效機(jī)制，通過原子層面的實(shí)驗(yàn)表征結(jié)合仿真模擬，揭示了正極/電解液界面的惡性循環(huán)路徑：材料各向異性體積變化與H2-H3相變誘發(fā)裂紋→加速電解液滲透→副反應(yīng)產(chǎn)氣→氣體壓力助推裂紋擴(kuò)展→進(jìn)一步加劇反應(yīng)。這種自加速的“反應(yīng)-產(chǎn)氣-開裂”惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致不可控的級聯(lián)熱失控。
 

　　該研究首次建立起微觀結(jié)構(gòu)失效與宏觀熱失控行為的定量關(guān)聯(lián)，為高鎳電池安全設(shè)計(jì)指明方向：對于超高鎳體系，需重點(diǎn)阻斷界面反應(yīng)鏈(如強(qiáng)化界面包覆、開發(fā)耐氧化電解液)；為對于中低鎳體系，應(yīng)著力提升體相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(如梯度摻雜、單晶化)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)打破了“體相優(yōu)先”的傳統(tǒng)思維定式，為破解高鎳電池安全困境提供了理論基礎(chǔ)，有望推動(dòng)新一代動(dòng)力電池在能量密度與安全性雙重指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)躍升。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在開展基于該原理的工程化應(yīng)用驗(yàn)證。
 

　　上述研究成果近期發(fā)表于Energy & Environmental Science期刊，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心碩士研究生姜兆軒及劉成奧為論文的共同第一作者，崔光磊研究員、許高潔副研究員、黃浪副研究員為共同通訊作者。