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極氫化鋰(LiH)的存在,并且定量分析出LiH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(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)。鑒于此,該團隊通過原位/非原位耦合手段對三元高鎳電池(NCM523)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,且證實了該組分與電解液具有較差的熱兼容性,成為誘導(dǎo)電池升溫過程中鏈式放熱反應(yīng)的主要觸因。而且,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(CN202011538153.3),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?zé)崾Э氐年P(guān)鍵觸因(Adv. Sci.,2021,2100676)。
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(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電池的放熱鏈式反應(yīng)最初是由硫正極衍生物與電解液溶劑反應(yīng)引發(fā),然后由鋰金屬負極與電解液以及熔融硫的反應(yīng)加速。
圖1 全固態(tài)Li-S軟包電池?zé)崾Э厍€及其觸發(fā)機理示意圖
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Li-S電池?zé)崾Э剡^程中的特點。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、熔化以及負極鋰金屬熔融導(dǎo)致正負極在高溫下發(fā)生串擾反應(yīng)所致。本研究對Li-S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)。 相關(guān)研究成果最近發(fā)表在Joule《焦耳》期刊上,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。該工作得到了國家自然科學(xué)基金,山東省自然科學(xué)基金等項目的支持與資助。
原標題:青島能源所在高比能鋰電池?zé)崾Э貦C理研究方面取得新進展