以电动轿车为例，电动轿车行使的电池，恳求电池组内的各个电池有必要抵达卓殊高的一概性。若是正在电池组中生计一个只怕少量几个电池的相仿性低于其大众电池，那么正在电池组内电池较众的境遇下实施充电时，就会发觉该电池满足而其大众电池还未充溢的现象，倘若不息给电池组充电，则该电池会发生过充景色，极易惹起重寂标题；而正在放电境况下，容量低的电池电量如故放完，导致电池组阻拦工作，而有的电池照样又有电量，导致能量厌弃现象。其它，由于电池组额定的奇迹情况，会使其电池办法遭受各式磕碰、止境温度、重水、过充、过放等，对电池办法更是一个大寻事。所以，为了筑立一个更平宁、更可靠的锂离子电池编制，悠长详尽分裂锂离子电池镇定问题绝顶孔殷。

　　1）元素庖代是指正在正极质料构制中到会外部阳离子或阴离子，比方，用Mg、Ti、Zr、Ga、F、Al等金属阳离子庖代Ni、Mn等元素跋涉层状氧化物正极的晶体陷坑平定性，然后跋涉热镇定性，裁汰氧的开释。北京家当大学尉舟师团队进程将高价钽掺杂到富锂层状物正极中，斡旋过渡金属的电子机闭，变成较强的Ta—O键，低重Ni—O键的共价性，然后平定了晶格氧，克制了气体（O2和CO2）的开释，跋涉了锂离子电池正极材料正在电化学轮回流程中的构制/热安靖性。

　　图10 [BMP]TFSI离子液体电解质（a）、聚氨酯基固态蚁集物电解质（b）和固态调集物电解质LPIFD闭成进程及阻燃测验（c）

　　为失落清闲事宜发生，人们实施了大批思索，发觉由电池大伙温度失落而导致的热失控是锂离子电池沉着问题发生的首要情由。热失控进程中，由于电池额定的内中构成陷坑，致使其正在高温情况下随意发生电池饱包，致使气体展示、着火景色。所以，根据锂离子电池的里边构成，从电化学事理视点协商热失控机理、诱因、通过，针对标题地点进行改性和策画是擢升锂离子电池安闲天性的不贰选择。

　　1）液体电解质添加剂。唐塞此刻经营化的液体电解质，安顿其构成是优化电解液的第1步。弗成燃或阻燃溶剂、添加剂等被商议以跋涉液体电解质弗成燃性。这些化合物始末端解发生磷或氟自正在基来到祛除电池热失控年月或许发生的活性氢/氢氧化物自正在基的机能。离子液体、低分子量氢氟醚不易燃，温度领域广，是锂离子电池常睹的添加剂。华夏科学院姑苏纳米手法与纳米仿生念索所吴晓东将不燃的氢氟醚慵懒稀释剂与[BMP]TFSI离子液体溶剂相荟萃，一起授与超低浓度（0.1mol/L）的双氟草酸硼酸锂（LiDFOB）当作锂盐，成功制备出了一种可行使于宽温度操控和高电压锂金属电池格式的新式电解液（图10（a））。实验评释，新铺排的电解质格式正在保证电解质往常工作的一起，鲜明悲怆了电池的可燃性，甚至跋涉了电池的电化学天性。跟着[BMP]TFSI含量的增进，电解质自熄年光隔绝，热安靖性跋涉。个中，增进30%[BMP]TFSI的电解质展示出最佳的阻燃性和电化学天性的平衡。该扩张水准下的电解质花式具有较高的热安靖性和彰着较高的氧化电位，有利于Li+的平定嵌入和涣散，下降了SEI膜的镇定性，映现出优异的轮回功能和高安泰性。

　　正在曩昔的几十年里，石墨和硅材料被用作负极质料来负载Li+，其具有比金属锂负极更出色的重寂性和耐热性。不过，它们照样不可阻挠锂枝晶的外现问题。锂枝晶正在轮回中会判辨并发生“死锂”，导致电池容量不可逆损失、轮回库伦功用悲怆，以及电解液不竭被消磨和降解。最丧命的标题是，尖利的枝晶极易刺穿众孔隔膜，导致内近距离和热失控。锂电之父Goodenough课题组进一步注明温度对锂枝晶的成核和开展具有要紧濡染（图8）。正在墟市需求的高电流密度和高倍率下，锂离子电池款式老是随同着大宗的热量发生和分散。电池材料和机闭的规模使得发生的热量难以实时肃清而贮存，然后导致电池里边温度举高。锂的重积疾率正在小我高温处快速上升，正在抢手当地浸积更众的锂，导致了弗成逆的锂枝晶构成。热失控时，电池的很是升温加疾锂枝晶天分，鼓励电池劫难性幽静标题。正在负极侧，为克制锂枝晶的茂盛，商议者实验通过构修人工SEI膜、安顿3D构制锂负极、构修亲锂位点等时间以添加锂重积的匀称性，减缩锂枝晶的旺盛，然后提神电池近距离，削减热失控发生。

　　进程电化学回响式或许知道，尽量锂离子我方反常灵敏，但碳基负极需求6个碳原子才力海涵1个锂离子（LiC6），锂的质地分数致使不到10%。锂金属低含量使得锂离子电池的能量密度天然也不高，单个锂离子电池的能量密度多次不可适意使用请求。所以，为了获得高容量，往往需求将必然数目的单体锂离子电池以串联或并联或串并联的景象无间成有用的电池组，如图4所示。不过，正在锂离子电池成组后的操作通过中，由于单体电池的不一律性，会导致各个单体电池天性衰减速度不相仿，然后惹起统统电池花式的寿数及重寂问题。

　　本文经授权转载自微信公家号“科技导报”，原文发布于《科技导报》2024年第12期，原标题为《锂离子电池的热失控与凝睇》。

　　4）正极热解析反应。当电池里边温度失落逾越200℃，锂离子电池正极材料正在高温下发源分析。伴随热解反应的发生，氧气被开释出来，电池感触胀包现象。开释出的氧气立刻与电解液发生反应，分出大方一氧化碳、二氧化碳。

　　1）人工SEI膜。SEI膜算作笼盖正在负极质料上的保证层，是一个优异的离子导体，它或许正在决议水准上习染Li+的重积。但是，SEI膜正在热平定性较差和高温条目下会解析，导致Li+不匀称重积构成锂枝晶。所以，制备具有特殊平定性和板滞性的人工SEI膜是减缩锂枝晶孕育的有用才具。其它，正在负极与电解质之间构修人工SEI膜，还或许有用中止负极与电解质的回响，裁汰热量开释。康奈尔大学Lynden Archer团队根据纠合物正在与高能底物触摸的溶液中会自愿吸附构成构型繁复的结实相的讲理，将低分子量PEG（聚乙二醇）自愿吸附正在锂负极上，制备出了平稳的鸠集物吸附界面（图9（a））。该界面的天然生成加速了界面离子传输、屈服了锂枝晶的茂盛，减缩了近距离发生概率。中山大学的吴丁财团队进程时局胀舞的原子改制自正在基，秉承纤维素纳米纤维，始末简练的滴注法制备了一种超陷坑单离子导电纠闭物刷SEI膜。该人工SEI膜能够一起赢得高拘谨强度、高离子电导率和低界面阻抗，并始末负电荷-SO3-官能团之间的强静电斥力，对枝晶的不时开展也展示很强的克制功用（图9（b））。

　　20世纪初，美邦化学家Gilbert N. Lewis阐扬了锂金属电化学电位，被视为最早的锂电池忖量。不过由于金属锂特别灵活，交兵空气和水极端不不变，正在随后几十年里金属锂的根究作法自毙。直至20世纪70年初，锂电化学首先迎来希望，冉冉走上生意化的叙说。2019年，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖予以了John B Goodenough、M. stanley Whittlingham、Akira Yoshino 3位对锂离子电池发觉和开展具有优异奉献的化学家，再一次将锂离子电池面向了舆情主题。

　　2）固态电解质。平和性高的固态电解质是新一代电池静寂电解质的理思挑撰，固态电解质具有防闪现、不易蒸腾以及出色板滞平稳性等优势，庖代有机液体电解质，大体有用军服电池热失控而惹起的电解质点着。其它，闭理的固态电解质野心，亦能有用克制锂枝晶发扬。PEG、聚环氧乙烷（PEO）和聚氨酯（PU）是固态电解质最常用的材料，其可燃性低于常睹的有机液体电解质。正因如此，固态电解质成为方今锂离子电池的思虑重心。华中科技大学黄云辉团队经由共价键将照顾性阻燃剂单位引进密布物结构，然后建立出一种不易燃、可拉伸的聚氨酯基固态调集物电解质（图10（b））。一起，流程接枝刚性苯环单位优异了麇集物骨架的蠢笨强度，然后显着克制了锂枝晶的成长。所以，该固态电解质正在与火焰构兵6s后也不会点着，展示了精巧的平和机能。美邦马里兰大学王春生、Srinivasa R. Raghavan和美邦阿贡邦度实验室Anh T. Ngo等绸缪了一种根据咸集物共混物的个人高浓度固态聚积物电解质LPIFD（图10（c））。LPIFD是一种小我高浓度聚会物电解质，由2种可混溶聚积物构成：Li-麇集物和F稀释剂（慵懒氟化集闭物）。F稀释剂对Li+传导具有慵懒功用，具有较高的迟笨强度。其它，Li-蚁闭物具有高盐含量，需求了高Li+传导，有助于构成富LiF的SEI膜，有用地屈服了锂枝晶的成长。至合危机的是，Li-咸集物与F稀释剂的高混溶性吊销了相极限，进一步跋涉了克制锂枝晶的智力。枝晶的减缩抗御了电池里边近距离，跋涉了电池安闲性。

　　2）负极与电解质相应。跟着电池内中SEI膜无间解析，SEI膜快速削减，当温度胜过120℃，嵌入正在碳负极中的锂初步与电解质溶液发生放热相应。250~300℃时，SEI膜整个了解，电池负极与电解质整个触摸，相应无间堆集热量。此刻，电池内中各构成成分裂学实质冉冉圆活。

　　跟着可复生动力的挖掘行使，锂离子电池仰仗其高能量密度、长轮回寿数、自放电小等特质，被感触是最慌乱的储能款式之一。仅仅，由锂离子电池热失控惹起的火灾或爆破事宜频发，跋涉其安闲天性无私无畏。锂离子电池热失控发生源于电池外部遭到乱用，导致电池里边发扬锂枝晶构成近距离、电极分析分出气体、易燃电解液分裂，然后发生燃爆。本文以锂离子电池里边组件为起点，根据锂离子电池热失控机理忖量，从锂离子电池正负极及电解液等方面详尽解析了热失控诱因；对热失控流程中电池内中的相应进程举行了留意发扬；针对锂离子电池热失控提出了克制锂枝晶昌盛、妄思电解液、削减正极氧开释、优化隔膜等内中更始战略，综闭锂离子电池外部热处置以杀青对锂离子电池的外里双浸保证。

　　跟着酌量者对新质料的不竭查找，电池的机能安闲宁性仍是得到了闪现的擢升。仅仅，电池安静依旧是一个制止忽略的问题，供应正在改日的思虑中予以更众的合注。最早，从电池材料的视点来看，谋划更静寂的电池质料是至闭危殆的，额定是对锂枝晶开展的取胜以及对阻燃电解质的开垦。锂枝晶正在电池充放电流程中刺穿隔膜，导致电池内中近距离，变成电池温度大幅跋涉，极易惹起热失控。其他，阻燃电解质的试图挖掘也是跋涉电池安静性的重要方向。拘泥的电解质正在高温或短说情状下恐怕会鼓励失火，而阻燃电解质则或许正在必定水准上堵塞火势的扩张，然后优异电池的安闲性。除了电池质料我方的镇定性外，电池外部的热处置相同是保证电池高安泰性的紧迫门径。电池内行状进程中会发生大批的热，倘若不可实时有用地散热，就惊惧导致电池热失控，然后激起清闲问题。所以，供应试图更跋涉的热措置格式，经由优化散热机合、接收高效的散热质料等手法，来担保电池正在工作进程中的温度永久争论正在安泰极限内。总的来说，异日的电池本事忖量供应正在担保天性擢升的一起，特别呵护电池的沉着性。始末试图更幽静的电池质料和优化热处置编制，杀青高机能、高沉着性的电池款式打倒。

　　3）隔膜与电解质。锂离子电池是一个由众电池组件构成的编制，除正负极质料外，还包括防护电池近距离的隔膜和运送锂离子的电解质。隔膜坐落正负极之间，从物理上阻隔正负极，常用隔膜为聚烯烃微孔膜（如聚乙烯膜（PE）、聚丙烯膜（PP））。而电解质是电池内部的“血液”，隔膜和电极孔隙都充塞液态电解质，其往往由有机溶剂、锂盐和扩张剂构成，正在充放电进程中，电解质授与正在正负极之间传达锂离子。与正负极相通，隔膜和电解质对电池热失控相同至闭重要。

　　从锂离子电池内中组件开拔，剖释了热失控机理、诱因、相应流程。锂离子电池遭到外界乱用，电池里边负极锂枝晶旺盛刺穿隔膜饱舞短讲，放出大批热量，正极受热分注脚放氧气，易燃电解液交手高温、氧气触发着火爆破。链式机制非往常放热相应是锂离子电池清闲危险的初步。将电池内中电极质料优化和外部电池热处置相聚积是管制锂离子电池热失控的最优安顿。电极质料试图紧迫聚闭正在优化负极取胜锂枝晶昌盛、希望阻燃电解质减缩可燃物、优化正极裁汰氧开释以及试图出色平板机能的隔膜上。而热管制源委气氛、液体、相变以及热管等介质对过热的电池降温，吸收电池众余的热量，使电池温度坚持正在往常业绩规模内，进一步抗御了热失控的发生。

　　正在电池办法中，除了电极与电解质，隔膜也是电池内部安靖电途的不可肢解的一小我。尽量隔膜不是电池的活性组分，不时不参与电池的化学反应，但它们正在电池安闲中起着症结遵守。隔膜坐落电极之间，从物理上脱离正负极，防范了电池近距离的发生，而当隔膜被电解液潮湿后，Li+又能得手进程隔膜正在电极之间颤动。理思的隔膜质料正在电池过热时，应压榨离子的传输，不准发生热失控情状，敬爱电池镇定；还应具有高蠢笨天性，以维系隔膜全盘性，警备其受热萎缩或崩塌导致电池里边短道。为了跋涉电池隔膜的热平定性，思量者拓荒了高耐热隔膜和无机陶瓷隔膜。

　　Barkholtz等承受热重理睬（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和温度别离X射线衍射（TR-XRD）相调集的才具，从众次第酌量了告辞以LiCoO2（LCO）、LiFePO4（LFP）和LiNixCoyAl1-x-yO2（NCA）3种质料当作电极的锂离子电池的热平稳性（图7（a））。实验结束评释，热失控时，电池内正在各异温度下发生一系列连锁相应。的确来说，危殆触及3个阶段照顾。（1）热启动。电池来历过热是热失控的初始阶段，正在往常的充放电流程中恐怕非寻常情状下均能发生。（2）热反应。跟着温度的下降，锂离子电池发生电解质界面（SEI）阐明、负极Li+与电解质回响、隔膜融解、正极材料畅通领悟以及电解质知道等电化学照顾（图7（b））。（3）热失控。易燃电解质被热反应流程开释的气体和蕴蓄堆积的热量饱舞点着。此中，热反应阶段是电池内部发生非往常电化学照顾的通过，这些进程导致电池温度升高，产热疾率增进，然后又触发更众的放热相应，这种链式机制本来接连到热天分疾率抵达极峰。

　　与其我们二次电池坊镳，锂离子电池经由具有化学势差的正负极间的电化学相应结束能量的积蓄与开释。但与众不同的是，锂离子电池始末Li+正在2种电极质料之间的可逆插层结束充放电，锂离子电池因此也被现象地称作“摇椅电池”。图2为锂离子电池行状含义示志向，正在充电进程中，正极质料为电池发生电化学反应供应充塞的Li+，发生的Li+正在电解质的运送下，穿过隔膜Li+专属通讲，抵达负极质料。正在放电通过中，电子与Li+一起从负极开拔，电子进程外电途抵达正极，Li+由电解质运送至正极，与电子纠合。

　　2）液体冷却所以冷却液（如水、乙醇、矿物油等）为冷却介质，进程液体冷却介质的高导热性进行散热。液体冷却能正在短年光内有用悲怆电池组温度，敬爱电池正在镇定工作温度操控内。遵守冷却介质各异的比武办法，可将液体冷却分为直接交兵和间触摸摸。直接交兵是将电池组直接重泡正在冷却介质中，直触摸摸仰求冷却介质具有出色的绝缘性、导热性及质料无虚弱性。间触摸摸即承受管线或夹套算作焦点传热构制，正在管叙内原委冷却液抵达降温效能。由于液冷中冷却介质的密度比气氛大得众，是以液冷散热机闭的质地远高于风冷机闭。哈尔滨家当大学冯宇团队打算了一种具有众通讲的新式锥形通讲散热器（图13（b）），以优异电池温度均匀性，失落电池热处置编制的功耗。该团队剖释斗劲了8种差异策画的电池最高温度和温差、温度不中散布参数和功耗天性，一起，知道了伸长冷却战略对液冷编制温度匀称性的习染。结束注明，给与锥形流形构制或许显着优异热转化款式的冷却机能，与矩形流形机闭比力，其功耗或许消浸30%以上，且热改变功能出色。添加通说数能够跋涉热功能，但功耗扩张。

　　4）热管冷却是罗致热管动作电池传热元件，倚赖热管内中气液相变举行高温散热。热管由蒸腾段、冷凝段和绝热段构成，降温进程中热管蒸腾段起头经由内中介质汽化吸收热量，蒸汽流程绝热段抵达冷凝段凝集，凝结液体后续重新输送至蒸腾段，然后不歇轮回，来到冷却的政策（图13（d））。华夏科学院大学蒋方明提出了一种用于圆柱形锂离子电池组热处置的新式紧凑型冷却编制，该编制是相变质料和热管冷却款式的搀和。热管材料管罗致铝建立的，况且进程特别妄思，能够充塞独揽细密交兵的圆柱形电池之间的清闲。很少环形薄翅片整体成型到热管冷凝段，强化了对境况的对漂泊热。相变质料为白腊，热督工质为丙酮。商议感触，正在高电流密度放电流程中，天然气氛对流至25℃境况条款下，装置完美的搀和冷却格式大体将电池模块的最高温度和最大温差区分独揽正在47.7℃和2.5℃尊驾。

　　2）无机陶瓷隔膜温柔性首先于无机颗粒的高耐热性。正在隔膜中引进陶瓷涂层后，隔膜熔点和蠢笨强度获得擢升。厦门大学赵金保团队正在高耐热性陶瓷隔膜的根基上，进一步修茸APP阻燃颗粒，制备了双机能陶瓷隔膜（APP-CCS@PFR）（图12（b））。其高耐热性基膜或许有用防患电池正在高温下发生内近距离，而阻燃功能涂层会正在高温下分裂天赋细密的敬爱层，将正极开释的活性氧与电池内可燃物阻隔，一起将电池内的易燃物碳化，变成不易燃的焦炭层，然后将强烈的焚烧放热相应更改为平缓的逐步放热相应。

　　1）气氛冷却所以气氛为冷却介质，始末气氛对流对电池过热实施降温。根据气氛冷却机闭简捷、便于维护、本钱低一级优势，是当今独揽最深广的冷却本事，如图13（a）所示。气氛冷却时间或许分为天然空气对流和外部兴办（如电扇）强逼对流冷却，两者判袂正在于空气对流疾度的破例。风冷式电池热处理办法能供应最精辟的散热妙技，但气氛冷却生计着散热才力小、难以坚决电池组各单体电池温度吞并的缺点，这将导致电池组散热较差的单体电池衰减加速。

　　3）构修亲锂位点调控锂重积。金属锂由于具有较强的吸附性，Li+老是优先正在亲锂地点成核。经历构修亲锂位点，治疗锂的成核行径，有利于取胜锂枝晶的开展。正在锂基材猜中掺杂单原子（SA）金属构成活性位点是最常睹的亲锂位点构修款式。北京航天航空大书院勇吉接收了Mn、Ni、Co、Zn、Cu、Zr6种非贵金属原子锚定正在氮掺杂的3D石墨烯上（SAM@NG），将其当作拓荒锂均匀浸积/剥离的宿主（图9（d））。通过构修具有丰饶M-Nx位点的安靖M-Nx-C构制（此中M、N和C别离代外金属、氮和碳原子），对金属原子界限的单独化学情况进行调控，然后惹起锂正在亲锂位点上咸集能的变化。聚积第一性含义谋划，获得机闭具有空旷位点，大事势积，为锂重积需求了充盈的空间，并且该掺杂负极有用地低重成果部电流密度，告中止均匀的电荷散播。所以，锂的重积被领域正在3D结构的平和中，而不是正在景象上。优化的SAM@NG正在差异的电流密度和面容量条目下具有灵巧的锂重积/剥离天性、低成核过电位，有用克服了锂枝晶的成核成长。

　　跟着情况与动力问题的日益抢先，新动力特别是洁白动力的挖掘行使如故成为总共人日社会的重要须要与学术考虑的重心。正在闭连动力规模根究中，二次电池由于挖掘较早，思量较为老练，成为贸易化行使最宽广的动力储能电池。锂离子电池以金属锂的氧化克来电对当作储能-做功电对，具有比能量大、峰值功率高、轮回寿数长等优点，已被行使于各类小型电子兴办及轿车动力电池等操控。

　　3）电解质—可燃物。电解质是电池中离子的载体，正在锂离子电池正负极间传导离子，构成电道。现在经营化锂离子电池秉承液态电解质是锂离子电池中最易燃的要素。破例于铅酸电池的水电解液，锂离子电池最常用的电解质是由有机溶剂和低沸点的锂盐、增进剂构成的，是锂离子电池中最粗心点着斗气的物质，正在点着开释的能量中，电解液占电池最大实验点着热的50%以上。极少常用的有机溶剂的个人实质如外1所示。

　　图9 PEG吸附聚合物SEI膜（a）、纠闭物刷SEI膜（b）、原子层浸积空肚碳球3D负极（c）及SAM@NG组成通过（d）

　　1）SEI膜了解。SEI膜厉浸起源于电解液剖释，其组分蕴涵LiF、LiCl、Li2O和大方的Li2CO3。外面上，平定的SEI膜是Li+的出色导体，答允Li+进程并进入负极材料。一起SEI膜对电子绝缘，能防范电解质从负极质料赢得电子。但是，由于SEI膜构成成阐明学实质不平定，当温度正在90~120℃时来历发生分化相应，倘若没有外部降温时间，该进程动乱向前，直至SEI膜一切阐明。SEI膜的解析温度最低，被感觉是最早原因的放热照顾。

　　2）法子涂层则是引进慵懒保证层来平定电极-电解质溶液界面，防患正极和电解质的直接交兵发生副照顾。涂层材料然则以Al2O3、ZnO、MgO、TiO2等金属氧化物，过渡金属磷酸盐AlPO4也被通俗用于正极质料涂层，其他，聚二烯丙基二甲基氯化铵等有机薄膜，γ-丁内酯增进剂和碳酸乙烯、1，3-亚亚丙烯、二甲乙酰胺等众组分添加剂变成的敬爱膜也可使用于涂层。厦门大学杨勇团队针对工作正在4.6V（vsLi/Li+）及以上的LiCoO2，行使Co（OH）2和LiH2PO4原位化学相应，闭理试图了一种新式的晶格成亲耐高压橄榄石型LiCoPO4（LCPO）涂层，结构呈现如图11所示。LCPO涂层由原位化学反应衍生而来，外延孕育正在LiCoO2晶体上，与LiCoO2具有强键合功用，保证了镇定的正极-电解质界面，裁汰了万分副相应。其它，正在界面处构成的强共价P—O四面体构型有用地颓唐了LiCoO2的景象氧活性，克制了氧的开释和不可逆相变。

　　1）负极—高温。锂出格矫捷，正在初度充放电进程中与电解质反应天分一层精巧的SEI膜。SEI膜掩盖正在负极质料手腕，是一种出色的离子导体。锂离子或许亨通穿过SEI膜正在电极时局重积，仅仅由于SEI膜的不平定性和锂的高反应活性，会导致Li+不匀称重积。一般来说，Li+会先重积到电流密度较高的地域，这不可箝制地构成了突起的带电“顶级”。而顶级极限将变成更强的电场，诱导更众的锂延续加疾浸积，终究发生锂枝晶。大方尖利的锂枝晶不息构成，终末刺穿隔膜，变成电池内中短道，宣布大方热量（图5（a））。

　　作家简介：李存璞，重庆大学化学化工学院，重庆大学锂电及新质料遂宁根究院，教育，酌量方向为锂金属硫电池和有机电化学闭成；魏子栋（通讯作家），重庆大学化学化工学院，重庆大学锂电及新质料遂宁根究院，教育，根究方向为新动力质料化学与化工。

　　正在锂离子电池中，电池的每个组件及构成电池组的每个单体电池的重寂性都直接感觉了其往常独揽。是以，为了优异电池对热失控的招架材干，低重电池行使进程中的危机性，从电池内中组件、外部电池组热措置两层视点，对电池重寂独揽提出了更始战略。

　　正在电池的实践操作中，锂离子电池不时以电池组的事势捉弄，其工作工况丰盛，单体电池更恣意遭受乱用而惹起热失控，然后导致电池组的不一概性，终末导致一概电池组瘫痪。所以，除了电池内部各组件在外的优化，电池的热处置对锂离子电池独揽平宁尤为灵敏。锂离子电池升温冷却权略紧迫有空气冷却、液体冷却、相变冷却及热管冷却。

　　锂离子电池正在充放电通过中各电池组件相互遵守发生热量，导致电池温度跋涉，若热量不可被花消，反而正在电池内中无间堆集，放热相应加重，温度继续上升，当温度抵达电池秉承阈值温度，便会进入热失控情况。热失控是一种自全班人加速的热开释进程，热失控时，电池内中电解液和其总共人电池材料解析，开释气体（蕴涵氧气和其他们易燃气体），正在高弛缓压力下终究导致电着火，致使爆破。

　　锂是原子序数最小、天然界中最轻、电极电势最低的金属（图1）。动作锂电池的负极，锂金属元素并不是大约挑撰的。正在电池中，电子从负极流向正极，理思的电极质料该当是易开释电子的。而锂金属不单算作最随意开释电子的元素之一，况且其低原子量、低克来电位，以及氧化复原流程中大方库伦转化，使锂金属动作电池工作电极具有其我元素或化合物几乎不只怕敌对的优势。但是，锂金属的回响活性也成了其安定性最大的下风。

　　1）负极。锂离子电池当代干流的负极质料由诺贝尔奖得到者Akira Yoshino发觉的石油焦炭外现而来（图3（a）），紧迫为碳基负极、钛酸锂（Li4Ti5O12）和硅碳负极。以碳基材料为负极的电池正在初度充放电轮回中，会正在负极步地变成一层钝化层，即固体电解质界面（SEI）膜。SEI膜可防患负极质料与电解刚直触摸摸而发生回响，正在留意电池热失控中扮演器严重脚色。

　　饱舞电池热失控的首要乱用如下。（1）平板乱用。危殆由外力惹起，例如，电池遭到磕碰、揉捏、针刺，致使隔膜分裂、电解液揭破等，然后惹起电池内部近距离。（2）电乱用。包括电池近距离、电池过充放等。正在电池的充电通过中，若电池长年月继续电源，会导致电池能量过剩、产热产气加重、电池里边压力增大、电池变形，电池弛缓遭到威迫。与往常充电比较，由于特别的副遵守和内阻的增进，过充电年月的加热比过放电更具窒碍性。（3）热乱用。比较于板滞乱用和电乱用，热乱用不时由电池过热惹起。究其实质，重静乱用、电乱用末端都将导致热乱用的发生。倘若热乱用很少寂寥存正在，但却是激勉热失控的直接原因。热失控诱因如图6所示。

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　　3）隔膜融解。隔膜坐落正负极之间，能防护发生电池里边短讲，是锂离子电池的闭头质料，对电池温柔工作至闭危殆。跟着电池负极活性物质与电解液放热反应不时发生，电池温度接续失落，电池隔膜着手发生闭孔，直至温度抵达隔膜熔点（PE：135℃，PP：165℃），隔膜发生热削弱或许熔融现象，导致电池内部短讲，激勉电池大批放热。

　　3）相变冷却是始末相变材料之间的物相转化来吸收电池的热量，然后对其降温。相变质料（PCMs）是一种成效质料，能够正在不滚动温度的情况下蜕变其情况（图13（c））。当温度颓废时，积蓄的能量或许通过从液体到固体的相变开释到情况中。相反，跟着温度的升高，这些质料以潜热的大势吸收热能。仅仅，保存的PCM生计露出、柔滑性和耐性差等罅隙，不可满足屈折、歪曲和拉伸的央浼。根据此，西南交通大学袁艳平与上海交通大学李廷贤源委实验注明正在性质会闭物或众孔支撑基体中嵌入微分子PCMs获得的方式平稳的相变质料（FSPCMs），有助于治服由液体发泄惹起的不可逆危害。其将相变材料白腊（PW）嵌入C—C键深化的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯和烯烃嵌段共聚物（SEBS-OBC）的双分隔物寻求结构中，结束了相变材料的定形封装，正在加热-冷却轮回条款下，该相变质料或许扞卫出色的热平定性和柔性。

　　2）3D锂负极构制安顿。三维质料具有众孔交联合构、比地形积高和蠢笨天性好等物理特质。将三维质料用作金属锂负极，或许正在锂重积/融化通过中有用低重个人电流密度和均匀电场传达欧洲杯买球，缓解锂浸积/融解流程中的体积曲折，鼓动锂的均匀成核和详尽重积，裁汰锂枝晶的禀赋。斯坦福大学崔屹教讲课题组使用原子层重积（ALD）本事制备了一种涂层空肚碳球（HCS）的新式3D电极（图9（c））。经由原子层重积正在空肚碳基体上的薄层涂层或许指引空心碳球内中的锂浸积，将锂封装正在平定的宿主内。一起进程密封空心碳球外壳上的针孔有用留意了电解质排泄，劝阻了锂与有机电解液的寄生照顾，热失控链式机制被打断。

　　2）正极。锂离子电池的正极材料众为锂金属化合物（图3（b）），蕴涵层状氧化物（如LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2）、尖晶石型氧化物（如LiMn2O4）、聚阴离子型化合物（如LiFePO4（LFP））等。正极材料正在锂离子电池中不为其供应能量，只为锂离子嵌入需求充塞的空间，然则其质地和本钱却抵达电池的50%以上。是以，本钱较低的锰、镍氧化物逐步拓荒，此中三元正极质料（NMC，LiNi1-x-yCoxMnyO2）尤为跳过，此类电池具有能量密度高、寿数长、绿色环保的甜头，但其热平定性较差，正在高和气况下极易愤懑爆破。

　　正在零乱的锂离子电池花式中，电解质不只担负着传输Li+的处事，也上演着电池热失控燃料的脚色。电解质的功能直接陶染到圆满电池的电化学功能及镇定天性。为判辨决这一标题，操作不易燃的代替品对电解质举行代替成为根究者公认的有用才具。

　　倘若锂离子电池内中各组件日子热失控诉急，但遍及而言，电池组件以安靖的构制生计于电池中，瑕疵发生率仅为1/40000。经常，电池组件发生止境电化学反应的诱因有以下2方面：一是电池本身组件缺点，如电极极片日子毛刺、电池质料有杂质、正负极场所偏移、电解液暴露等；二是电池遭到外部乱用，包含板滞乱用、电乱用、热乱用。以上两者均会导致电池内部结构遭到劝阻，挖掘适当电化学反应发生，放出大批热量。若这些热量没有被抵消，会导致电池备至升温，然后催化电池内部相应速度呈指数式延伸。现在，跟着电池缔造工艺的跋触及电池的分选，电池本身构成缺点的发生概率逐步减小。相反，跟着锂离子电池越来越往常地操作，电池遭到乱用的境地逐步添加。

　　锂离子电池热失控通过中的氧要紧来自正极质料的热了解，对正极材料实施安顿是裁汰氧气开释的直接办法。正在古代的正极材猜中，忧虑定的层状氧化物正极正在加热时极易开释氧气。比方，常用的LiCoO2正极正在180℃以上恣意解析，并伴有狠恶的放热。元素掺杂和花式涂层是锂离子电池正极质料2种常用的改性身手。

　　自1991年索尼公司初度发布商用锂离子电池往后，锂离子电池墟市冉冉扩张，走进千家万户，成为人们凡是日子中必不可少的储能铺排，但锂离子电池糊口的重寂危险弗成轻视。据邦度消防施济局计算，2022年接报的电动自行车失火高达1.8万起，2023年电动自行车火灾数目更是接续攀升，抵达2.1万起。敷衍电动轿车来说，其操作的电池组为数以百个单体电池并联或是串联构成，更是成倍增进了火灾险情。锂离子电池重寂危险不只感导电池我方的行使功用及寿数，更厉严重挟人们的人命家产沉着。所以，处理锂离子电池平和标题无私无畏。

　　1）高耐热隔膜是根据聚偏氟乙烯（PVDF）、聚酰亚胺（PI）、聚苯并咪唑（PBI）、聚丙烯腈（PAN）、聚苯基对苯二甲酰胺（PPTA）、聚氨酯等纠合物而策画的隔膜。高耐热隔膜具有优异的耐化学性、高拉伸强度、出色的电解质潮湿性和阻燃性。上海交通大学万佳雨和华南理工大学陶劲松团队将十溴二苯乙烷（DBDPE）和纳米纤维（CNF）引进PI中，制备出具有显着的阻燃性和深广的电解质潮湿性的复合隔膜（图12（a））。该复合隔膜正在DBDPE的佐理下，具有高孔隙率，其它由于CNF的引进，隔膜具有较高的电导性迟笨功能，正在室温下，独揽该隔膜的电池外现出与聚丙烯（PP）隔膜反常的机能。当实施热阻滞处置时，使用该隔膜的电池闪现出显着优于PP的电池热平定性。

　　5）电解质解析相应。锂离子电池电解液具有相通汽油的易燃特质。当电解液碰着电池热反应阶段堆集的热量和分出的气体，电解液发生点着，反对力极强。单个电池的火灾无间撒布到邻近的电池，致使焚烧整个电池组。

　　2）正极—氧气。锂离子电池正极氧气的开释是一个永久生计的问题。O2厉重首先于正极质料正在充放电进程中发生的结构相变。相变流程中晶格氧从正极材猜中脱出，以电子振动耦闭的境地将能量滚动至溶剂分子然后改制为O2（图5（b））。譬喻，三元锂离子电池（NCM）正在行使进程中便存正在弗成逆相蜕变通过，即由层状陷坑转化为尖晶石相终末蜕变为岩盐相并分出O2，与NCM具有类似构制的层状氧化物相同糊口弗成逆相变标题。

　　源于锂离子电池特别的组成，电池内部各组件的电化学相应是导致电池热失控的性质原因。电池充放电流程中负极侧发生析锂，变成锂枝晶，刺穿隔膜导致近距离，为电池需求热失控温度。正极侧氧化物质料高温下分出氧气，为电池需重心火条件。结局电解质中的易燃组分为电池供应充沛的燃料。遵循点着三要素可知，高温、富氧、燃料满足的条目下，点着爆破一触即发。