香港中文大学发明更安全的锂离子电池设计 可防止可能引起火灾的热失控

盖世汽车讯 众所周知，传统的锂离子电池存在火灾风险，在某些情况下甚至可能引起爆炸。锂离子电池广泛应用于从电动汽车到电动牙刷等各种产品，因此降低锂离子电池的火灾风险成为当务之急。锂离子电池的设计迫切需要在长循环寿命、高电压和安全性之间取得平衡。

图片来源： 期刊《Nature Energy》

当锂离子电池遭受某种物理损坏、过度充电，甚至存在制造缺陷时，就会产生火灾风险。当阴离子（带负电的离子）与锂键断裂并释放热量时，就会引发热失控。当发生这种情况时，传统的锂离子电池的温度变化可能超过500℃。

据外媒报道，中国香港中文大学（The Chinese University of Hong Kong）的研究人员找到了一种大幅降低锂离子电池损坏时释放热量的方法。相关研究论文发表在期刊《Nature Energy》上，详细介绍了这种新设计和针刺试验的实验结果，结果显示电池温升仅为3.5℃左右。

研究团队发现，电池内电解质中的离子缔合使热失控发生的温度降低了约94℃，这使得这项新设计成为可能。他们意识到，用不同的材料替换电池中的部分溶剂，可以提高热失控的起始温度，从而降低热失控的风险。这种替换还能在较低温度下形成固体电解质界面膜（SEI），这是锂离子电池的正常功能。

因此，研究人员开发了一种“溶剂接力策略（solvent-relay strategy）”，该策略在室温下促进离子结合以形成SEI膜，但在高温下诱导离子解离以确保安全。这种新设计采用一种名为双氟磺酰亚胺锂的溶剂，它仅在较高温度下与现有溶剂中的锂结合，从而抑制最终导致热失控的阴离子键。

该团队在1.1 Ah软包电池中测试了这种新设计，方法是用钉子刺穿电池——这是锂离子电池常见的安全评估测试。

研究作者写道：“这种方法使4.5 V石墨-NCM811软包电池（1.1 Ah）展现出4,100小时的出色循环寿命，容量保持率约为81.9%（0.45 C下1,000次循环）。这些安培小时级电池还展现出增强的热稳定性，在针刺测试中温升不到3.5℃，而采用商用电解质的电池温升则高达555.2℃。”

这种新设计是锂离子电池安全性的一次显著飞跃。尽管还需要进行更多测试，但这些改进可能在不久的将来应用于锂离子电池中。

研究作者写道：“这项研究阐明了离子结合对热失控的关键影响，并建立了一种有效的策略，以延长安培小时级锂离子电池的循环寿命、提高截止电压和增强安全性。”