背        景

隨著電動汽車與儲能電站的快速發展，鋰金屬電池雖有望突破500Wh/kg的能量密度極限，卻面臨嚴峻安全挑戰。高鎳正極在200℃時即分解釋放氧氣，金屬鋰負極與電解液反應生成氫氣、甲烷等可燃氣體，正負極氣體在密閉空間相遇易觸發劇烈反應（如鋰氧反應放熱高達1197kJ/mol），最終導致電池熱失控甚至爆炸。因此，開發兼顧高能量與高安全的電池技術成為行業的迫切需求。

研 究 團 隊

在 國家自然科學基金委、中國科學院、北京分子科學國家研究中心 的支持下，化學所分子納米結構與納米技術實驗室白春禮研究員、郭玉國研究員、張瑩副研究員，基于前期在電池熱安全機制（Sci. Adv.2023,9(5):eade5802）和聚合物電解質設計（Adv. Energy Mater. 2020,10 (3),1903325）的研究積累，創新提出“阻燃界面用于智能氣體管理”的設計策略。

該團隊在正極內部構建 阻燃界面（FRI），通過溫度響應機制實現雙重防護：

當電芯溫度升至100℃時，FRIs釋放含磷自由基并遷移至負極表面，猝滅電解液熱解產生的H·、CH·等活性基團，使可燃氣體生成量下降 63%；同時抑制正極49%的氧氣釋放，從源頭切斷爆炸反應鏈。在熱濫用測試中，首次實現0.6Ah鋰金屬軟包電芯零爆炸。

正極阻燃界面抑制電池熱失控產氣實現高安全理金屬電池

在0.6 Ah鋰金屬軟包電芯（匹配高鎳正極）的熱安全測試中，該策略展現出突破性防護效果：

• 熱失控峰值溫度從1038℃降至220℃

• 升溫速率降低40000倍（從43300℃/min降低至1.1℃/min）

• 通過氣相色譜-質譜分析證實，電芯內部整體產氣量減少63%，其中可燃氣體占比從62%降至19%

由此顯著緩解電池內部壓力積聚，并大幅降低電池爆炸風險。這些研究結果為開發高比能、高安全的電池技術提供了新思路。

研 究 成 果

相關成果以《A Fire-Safe Li Metal Battery via Smart Gas Management》為題發表于《PNAS》（doi.org/10.1073/pnas.2501549122），并被《New Scientist》報道。美國SLAC 國家加速器實驗室斯坦福電池研究中心執行主任 Jagjit Nanda 教授評價：“這一創新策略不僅顯著降低了鋰金屬電池的起火風險，還可拓展至鋰離子和鋰硫體系。”文章第一作者為博士后郭俊辰、博士生柴聰正，通訊作者為張瑩副研究員、郭玉國研究員、白春禮研究員。

#鋰電池熱失控測試  #電芯熱失控測試  #電池安全管理  #儲能電池研究前沿