中国联合研究小组发现锂硫电池热失控的原因

据国外媒体报道，由太原理工大学、清华大学和东南大学研究人员组成的研究团队系统分析了锂硫柔性电池的热安全性，重点研究了导致锂硫电池在多次充放电循环后温度升高的放热反应。该研究有助于了解锂硫电池的热行为，为这类电池提供更安全、更实用的应用途径。

锂电池，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，在锂硫电池实际应用之前，仍有许多问题需要解决，如中间体多硫化锂在正负极之间的“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引起热安全问题，这已经成为锂硫电池实用化的重要瓶颈。东南大学教授程说，“因此，研究导致锂硫电池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循环锂硫柔性电池的热安全性。首先，全面分析了锂硫电池的热失控机理，热失控描述了电池过热的过程。发现溶解的高阶多硫化物与金属锂的反应是锂硫软包装电池热失控的根源。

一个16次循环的柔性电池表现出很高的安全性，在加速量热仪测试中从30℃加热到300℃，但温度没有急剧上升。相比之下，研究小组发现，当含有额外电解质的1周期柔性电池被加热到147.9℃时，会发生剧烈的放热反应，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在电极和电解质之间的界面处的不良溶剂扩散。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次循环柔性电池的热行为与没有额外电解质的电池的热行为一致。

在添加额外电解液的45次循环柔性电池研究中，研究团队观察到，在加速量热仪测试中，锂硫柔性电池45次循环后的最高温升速率仅为1.72 C·min-1，其最高温度仅为304.0 C，而添加额外电解液的16次循环锂硫电池的最高温度分别为162.4 C·s-1和436 C。电池的各种热行为可归因于循环电解液中不同的多硫化物。

程教授说:“我们发现枝晶锂与溶解的高阶多硫化物之间会发生强烈的放热反应，导致深循环锂硫柔性电池温度急剧异常升高。因此，从安全角度考虑，必须抑制锂硫电池的多硫化物穿梭。”

通过研究，团队系统地揭示了锂硫柔性电池的热失控机理。程教授说:“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是非常重要的。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。”