中国联合研究小组发现锂硫电池热失控的原因

据外媒报道，由来自太原理工大学、清华大学和东南大学等研究人员组成的研究小组对锂硫软包电池的热安全性进行了系统分析，重点研究几次充放电循环后导致锂硫电池温度升高的放热反应上。 此项研究有助于了解锂硫电池的热行为，并为这些电池提供更安全、更实际的应用途径。

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图片来源：太原理工大学

锂金属电池，尤其是锂硫电池，因其理论比能量密度高、成本低、环境友好等优点而备受关注。由于其高能量密度，锂金属电池有望用于电动汽车和高端便携式设备。

然而在实现锂硫电池的实际应用之前，还有许多问题需要解决，例如阳极和阴极间中间体多硫化锂的“穿梭效应”、硫的固有绝缘特性以及锂阳极在循环过程中的枝晶问题。

更重要的是，锂金属的高活性还会产生热安全问题，成为锂硫电池实际应用的重要瓶颈。东南大学教授程新兵表示：“因此，研究导致锂硫电池在多次充放电循环后温度急剧异常升高的关键放热反应具有重要意义。”

研究团队着手研究深度循环锂硫软包电池的热安全性，首先对锂硫电池的热失控机制进行了全面分析，而热失控描述了电池过热的过程。结果发现，溶解的高阶多硫化物与锂金属之间的反应是锂硫软包电池热失控的根源。

一个16循环的软包电池显示出高安全性，在加速量热仪测试期间从30°C加热到300°C，而温度没有急剧升高。相比之下，该团队发现，当带有额外电解质1循环软包电池被加热到147.9°C时，会发生剧烈的放热反应并产生巨大的热量。

这些电池的各种热行为归因于电解质的不同粘度。电解质的高粘度导致不良溶剂在电极和电解质的界面处扩散。这种不良溶剂的扩散有助于提高高温下电池组件之间的热稳定性。相比之下，具有额外电解质的45循环软包电池的热行为与没有额外电解质的电池一致。

在对带有额外电解质的45次循环软包电池的研究中，研究团队观察到，在加速量热仪测试中，锂硫软包电池在45次循环后的最高升温速率仅为1.72°C min-1，其最高温度仅为304.0°C，而带有额外电解质的16循环锂硫电池的最高升温速率和最高温度分别为162.4°C s-1和436°C。电池的各种热行为可归因于循环电解质中的不同多硫化物种类。

程教授表示：“我们发现，枝状锂与溶解的高阶多硫化物（而非低阶多硫化物）之间会发生强烈放热反应，这会导致深度循环的锂硫软包电池温度急剧且异常升高。因此，从安全的角度来看，必须抑制锂硫电池的多硫化物穿梭。”

通过研究，该团队系统地揭示了循环锂硫软包电池的热失控机制。程教授表示：“制定有效的策略来抑制锂硫电池中不良的多硫化物穿梭和枝晶生长非常重要。当锂硫电池中的多硫化物穿梭和枝晶生长被完全抑制时，锂硫电池的热安全性就可以大大提高。”