近日，我院乔羽教授课题组与宁德时代（CATL）合作，利用自主设计搭建热场质谱（OP-MS）和热场气相色谱-质谱联用技术（OP-GCMS），系统深入地研究了Ni96│Si@C（90%）电芯系统在热失控场景中的气体演化规律及气体串扰行为的关键作用。相关成果以“Elucidating the Origin of Intensified Thermal Safety Concerns of Practical Next-Generation High-Energy-Density Li-Ion Batteries”为题发表于Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.5057887）。
高镍层氧正极和硅碳负极搭配可以提供超高的能量密度，满足载重无人飞机（非农业用）、电动垂直起降器、机器人及超长续航电动汽车等的需求。经过严格的推算，Ni96（LiNi0.96Co0.03Mn0.02）做为正极，90%Si@C混合负极（Si@C : Gr = 9 : 1，质量比）做为负极的电芯体系适用于航空航天领域对于动力锂离子电池能量密度的要求。然而航空航天所面对的工况极其复杂，对动力电池的安全性能要求严格。因此，厘清高比能电池体系发生安全事件背后的机理，对于指导设计先进电池材料、建立安全预警和促进高比能电池体系商业化具有重要的意义。
该研究通过一系列自主研发的分析技术，系统探究了高能量密度Ni96|Si@C电芯体系在热失控过程中复杂的气体演化机制，所采用的技术包括滴定质谱（TMS）、在线热解质谱（OP-MS）以及在线热解气相色谱-质谱联用技术（OP-GCMS）。研究阐明了气体生成的复杂机制以及正极与负极之间的串扰反应：（1）Ni96中的活性氧物种（O2/On⁻）改变了电解质固有的分解路径。（2）由Si@C产生的还原性气体中，H2占71.12%（质量比），是导致热失控的主要原因。此外，H2主要来源于电解质和粘结剂（99.54%，质量比）。（3）还原性气体向负极迁移，破坏了Ni96的结构，并引发O2的提前释放，从而降低了电池发生热失控时的温度。此外，二氧化碳（20.73%，质量比）主要来源于高温下电解质的分解，以及来自超高镍含量正极释放出的活性氧物种（On-/O2）对电解质和含碳还原剂（如CO、C2H4）的氧化反应。通过详细的TMS和OP-MS分析，H2的来源主要可追溯至含氢粘结剂。而在实际电池中更为显著的是，源自电解液本身。此外，超高镍含量层状氧化物正极在高温下发生结构畸变，导致活性氧物种（On-/O2）释放，这些活性氧物种与负极产生的还原剂发生放热反应，形成关键的连锁反应路径，从而引发并加速热失控。因此，通过战略性地改性电解液或正极（以抑制活性On-/O2的生成），可有效提升高能量密度电池系统的热安全性。本研究成功在Ni96|Si@C体系中引入低氢含量电解质，使软包电池实现了稳定的长期循环性能，并提升了热安全性。
该研究在我院乔羽教授、邹业国副教授的共同指导下完成，2024级博士生涂文彬（智能仪器专项）为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金（92472203、22288102、22509169），厦门大学中央高校基本科研业务费专项资金（220720250005），宁德市2025年“攻克关键技术难题”重大技术项目（ND2025J002），福建消费型锂离子电池重点实验室开放基金，嘉庚创新实验室，醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室，以及表界面化学全国重点实验室的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.5057887
