欧阳明高/王莉/冯旭宁Joule: 减少电池热失控，控制还原性气体是关键！

由于有机液体电解质的挥发性和易燃性，锂离子电池（LIB）被认为是不安全的。然而，其替代品（固体、无机等）的研究在商业化方面仍面临严峻障碍。

在此，清华大学欧阳明高院士、王莉副研究员及冯旭宁等人提供了针对LIBs灾难发生前较早的热积累（HA）阶段的新安全设计路线以提前防止热失控（TR），并发现特定的还原性气体在这个早期阶段占主导地位。先前的研究表明，HA反应仅发生在负极-电解质界面（AEI）且仅有助于持续的热量积累，与TR没有化学关联。

因此，避免热量积累的唯一方法是寻找最终稳定的负极和电解质。然而，作者对LIB热失效途径的新见解表明，在低于80 °C的温度下存在的与所有主要电池组件（正极、负极和电解质）相关的有害化学串扰，即“还原性气体侵蚀”主导着HA 阶段并化学促进TR。只要切断这种“还原性攻击”反应途径，就可以轻松控制热失效并有效防止TR。

图1. 还原性攻击热失效路径示意图及相应的抑制方法和对策

具体而言，还原性气体，特别是那些键解离能（BDEs）较低的气体（C₃H₆, C₃H₄, C₂H₄, C₂H₂等）首先在AEI产生，然后迁移到电池内部并侵蚀正极晶体，在远低于原始晶体变化的温度下诱导氧气释放且产生大量的热量和气体。

热量和气体的积累及电池中有害的还原性和氧化产物都促进了电池的热失效过程，从而最终导致TR。因此，电池热失效可能通过操纵特定的有害化学物质而不是替换整个化学物质来控制。

基于此，作者设计了四种策略（界面电子剥夺、温度响应毒性层、强制排气、冷却功能隔膜）来控制还原性气体的生成、迁移和侵蚀，并使用容量高达60 Ah、能量密度为280 Wh kg^-1的高能NCM811/SiC软包电池进行了验证。

总之，这项工作对早期热失效的新见解及相关的安全设计路线将克服有机电解液的局限性，并重新点燃传统液体化学物质安全应用的曙光。

图2. 有效抑制TR的四大安全对策

Reductive gas manipulation at early self-heating stage enables controllable battery thermal failure, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.10.010

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