隨著電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)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，高鎳層狀材料因高比容量、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(lái)的嚴(yán)重安全隱患特別是熱失控風(fēng)險(xiǎn)，成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

　　中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所科研團(tuán)隊(duì)致力于高比能、高安全電池體系的設(shè)計(jì)，前期通過(guò)表征設(shè)備及研究方法的創(chuàng)新，闡述了電池?zé)崾Э剡^(guò)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(duì)電池放熱反應(yīng)的影響機(jī)制。

　　在電池?zé)崾Э剡^(guò)程中，除了負(fù)極，高鎳正極對(duì)電池?zé)崾Э匾簿哂兄匾绊?。前期研究表明，在熱失控過(guò)程中，正極引發(fā)的放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)主要通過(guò)兩條路徑：一是體相結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與氧釋放，二是表界面副反應(yīng)加劇。為提升電池安全性，是優(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，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比不同鎳含量電池在循環(huán)老化前后的熱失控行為，并結(jié)合多種原位-非原位測(cè)試手段，通過(guò)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，揭示了高鎳電池體系中熱失控由正極/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，在中低鎳電池中晶格氧釋放及后續(xù)反應(yīng)是熱失控的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

　　進(jìn)一步，科研團(tuán)隊(duì)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(guò)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)導(dǎo)致不可控的級(jí)聯(lián)熱失控。

　　該研究建立微觀結(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)指明了方向：對(duì)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；對(duì)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。這一發(fā)現(xiàn)打破了“體相優(yōu)先”的傳統(tǒng)思維定式，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。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。

高鎳電池?zé)崾Э剡^(guò)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