中國聯合研究小組發現鋰硫電池熱失控的原因
時間:2022-12-12 08:27來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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據外媒報道，由來自太原理工大學、清華大學和東南大學等研究人員組成的研究小組對鋰硫軟包電池的熱安全性進行了系統分析，重點研究幾次充放電循環后導致鋰硫電池溫度升高的放熱反應上。 此項研究有助于了解鋰硫電池的熱行為，并為這些電池提供更安全、更實際的應用途徑。
圖片來源：太原理工大學
鋰金屬電池，尤其是鋰硫電池，因其理論比能量密度高、成本低、環境友好等優點而備受關注。由于其高能量密度，鋰金屬電池有望用于電動汽車和高端便攜式設備。
然而在實現鋰硫電池的實際應用之前，還有許多問題需要解決，例如陽極和陰極間中間體多硫化鋰的“穿梭效應”、硫的固有絕緣特性以及鋰陽極在循環過程中的枝晶問題。
更重要的是，鋰金屬的高活性還會產生熱安全問題，成為鋰硫電池實際應用的重要瓶頸。東南大學教授程新兵表示：“因此，研究導致鋰硫電池在多次充放電循環后溫度急劇異常升高的關鍵放熱反應具有重要意義。”
研究團隊著手研究深度循環鋰硫軟包電池的熱安全性，首先對鋰硫電池的熱失控機制進行了全面分析，而熱失控描述了電池過熱的過程。結果發現，溶解的高階多硫化物與鋰金屬之間的反應是鋰硫軟包電池熱失控的根源。
一個16循環的軟包電池顯示出高安全性，在加速量熱儀測試期間從30°C加熱到300°C，而溫度沒有急劇升高。相比之下，該團隊發現，當帶有額外電解質1循環軟包電池被加熱到147.9°C時，會發生劇烈的放熱反應并產生巨大的熱量。
這些電池的各種熱行為歸因于電解質的不同粘度。電解質的高粘度導致不良溶劑在電極和電解質的界面處擴散。這種不良溶劑的擴散有助于提高高溫下電池組件之間的熱穩定性。相比之下，具有額外電解質的45循環軟包電池的熱行為與沒有額外電解質的電池一致。
在對帶有額外電解質的45次循環軟包電池的研究中，研究團隊觀察到，在加速量熱儀測試中，鋰硫軟包電池在45次循環后的最高升溫速率僅為1.72°C min-1，其最高溫度僅為304.0°C，而帶有額外電解質的16循環鋰硫電池的最高升溫速率和最高溫度分別為162.4°C s-1和436°C。電池的各種熱行為可歸因于循環電解質中的不同多硫化物種類。
程教授表示：“我們發現，枝狀鋰與溶解的高階多硫化物（而非低階多硫化物）之間會發生強烈放熱反應，這會導致深度循環的鋰硫軟包電池溫度急劇且異常升高。因此，從安全的角度來看，必須抑制鋰硫電池的多硫化物穿梭。”
通過研究，該團隊系統地揭示了循環鋰硫軟包電池的熱失控機制。程教授表示：“制定有效的策略來抑制鋰硫電池中不良的多硫化物穿梭和枝晶生長非常重要。當鋰硫電池中的多硫化物穿梭和枝晶生長被完全抑制時，鋰硫電池的熱安全性就可以大大提高。”
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