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通訊作者：何嚮明，王莉
鋰離子電池實現了蓄電池和汽車動力百年來的歷史性突破，在資訊、能源和動力產業中擔當日益重要的作用，是助推人類第三次能源革命和第四次工業革命的重要支撐，三位對鋰離子電池技術貢獻最大的科學家因此獲得了2019年諾貝爾化學獎。然而，鋰離子電池高比能量的特性，使得偶發的“熱失控”安全故障往往導致燃燒、爆炸等災害性事故，導致大眾安全焦慮。這不僅影響了鋰離子電池的快速發展，也制約了其在核安全、軍工等對安全性和可靠性要求高的領域中的應用。瞭解熱失控的過程和機理是避免熱失控的前提。
從這個角度出發，清華大學何嚮明、王莉等人基於長期研究經驗與最新發現，針對高比能量三元鋰離子電池熱失控的研究進展與趨勢展開評述，透過展示課題組三元鋰離子電池熱失控研究的最新資料，重點討論了電解液在減緩熱失控早期溫升的正向作用機制，重新思考了液體電解質在熱失控中的角色。
該工作在Battery Energy創刊號上以題為“ Trends in study on thermal runaway mechanism of lithium-ion battery with LiNixMnyCo1-x-yO2 cathode materials”發表（DOI:10.1002/bte2.20210011），併成為創刊號封面。
【工作介紹】
文章對研究熱失控機制的未來方向進行了展望，提出熱化學和熱物理的兩個研究領域各需關注多尺度下的化學反應和熱傳導，並聚焦電化學方法、熱化學分析方法、先進微結構/譜學表徵和失效電池“逆向解析”，提出了急需開展的研究工作。
本綜述篇幅為7個出版頁面，內含3幅重要的圖，現摘取幾個要點進行介紹：
圖1.鋰離子電池熱失控研究發展史
本文首先簡要介紹了鋰離子電池熱失控研究發展史和目前公認的大致過程與機制（見圖1），統計了包括磷酸鐵鋰、三元、錳酸鋰、鈷酸鋰等主流正極材料在內鋰離子電池體系的熱失控行為規律。熱失控的一連串的放熱反應常常以電解液與負極的介面放熱反應為先，大多數研究者也傾向認為可燃的有機液態電解液是鋰離子電池熱失控中燃燒特性的始作俑者之一。
本文作者認為此看法並不全面。透過比較試驗，相同充電態下沒有電解液和隔膜的電池在溫升早期放熱最為明顯（見圖2），有隔膜沒有電解液的電池次之，而正常的有電解液和隔膜的鋰離子電池放熱最慢。雖然原因並未完全掌握，但實驗結果顯示有機電解液的存在可能會起到減緩正負極間串擾（氣相氧化/還原物質在液相中的擴散要比氣相中慢很多）；同時汽化過程中吸熱，也會有降低溫升的功效。
從這個意義上講，即便是可燃的有機電解液，在熱失控初期也可能起到減緩電池自加熱溫升速率的正向作用。這有待未來進一步深入研究。這個實驗結果另外一個可能的啟示為：與對鋰離子電池材料層面的深入理解相比，研究者對其電極、器件複雜體系的理解相對較淺，還有很長的路要走。
圖2.（a）為研究電解液減緩熱失控效果重新組裝軟包電池工藝示意圖；（b）三種特殊設計電池絕熱熱失控試驗溫升速率與絕對溫度的關係。插圖是虛線標記區域的放大圖。
文末，對三元鋰離子電池熱失控機制研究方向進行展望（見圖3）。上下兩個半透明的圓形區域分別代表熱化學和熱物理的兩個研究方向，分別關注多尺度下的化學反應和熱傳導。四個長方區域介紹了對電化學方法、絕熱熱失控、先進微結構/譜學表徵和基於失效電池殘骸“逆向重構”解析四個研究方向的展望。
圖3.三元鋰離子電池熱失控機制研究展望示意圖。
清華大學何嚮明、王莉為論文共同通訊作者。本研究工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上專案和重點專案的資金支援。
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