高能锂电池热失控和起火的原因是什么？《自然-能源》研究给出答案和解决思路

研究背景

锂电池是便携式电子设备、电动汽车和储能系统等必不可少的组件。然而，锂电池的热失控及起火机制尚不清楚，许多有关电池安全性的关键问题有待解答。例如，采用不可燃电解质（如固态电解质和离子液体）的电池在遭受穿刺或发生内短路时为何会出现严重的热失控和起火？是否有可能开发一类在任何情况下都不可燃的电池？此外，当前研究中用于热失控表征的实验方案——包括差示扫描量热法、加速量热法和针刺测试，存在定量可重复性较差和实验条件缺少实际意义等问题，难以查明电池热失控的根本机制。

研究发现

来自宾夕法尼亚州立大学的研究团队对锂阳极氧化和电解质燃烧（均由氧化物阴极释放的氧气引起）放热进行了热力学分析。令人惊讶的是，结果表明锂氧化放热远高于有机电解质燃烧，而且热失控反应的总热释放量由氧气可用性而非燃料数量控制。

随后，团队利用电阻控制内短路（RISC，一种能实现可重复、定量精确测量的新方法），分析了不同电解质电池的单层内短路动力学：标准液态电解质电池、模拟固态电池（完全不含液体），模拟含开裂固态隔膜的全固态电池（ASSB）、离子液体电池等。他们发现，模拟固态电池和离子液体电池比标准液态电解质电池起火更快、更剧烈，表明电解质不可燃并不能保证电池不可燃。相反，开裂固态电解质和离子液体等不可燃电解质由于无法消耗氧气，使氧化物阴极释放的氧气到达锂阳极，导致更剧烈的电池起火。最后，他们基于电解质的氧清除能力和反应热绘制了电池安全性图（图1）。其中，含开裂隔膜的ASSB和不可燃离子液体电池位于锂氧化和起火高风险区，有机液态电解质位于中风险区。而那些能通过低放热反应高效清除氧气的电解质能在升温幅度极小的前提下保护锂阳极不被氧化，因此更加安全。

未来方向

这项研究有望重塑人们对电池安全性的认识。未来的研究方向包括：寻找与合成氧清除能力高于0.08 mol O₂/g、反应热低于230 kJ/mol O₂的新型电解质和添加剂（图1）；寻找用于固态电解质的除氧添加剂，这样即便是隔膜开裂或被刺穿，锂阳极仍能得到保护，锂氧化反应不会发生；设计不可燃电池原型，并在极端条件下开展测试。此外，受热不释放或仅释放少量氧气的高容量阴极材料也有助于构建更安全的高能量密度电池。

图1：锂电池电解质安全性评价指标。

目前，全球研究人员正在协同推进ASSB技术的开发和商业化。鉴于上述发现，研究团队建议相关领域的研发人员将安全性置于首位，同时特别关注锂氧化这一热失控和起火的主要驱动因素；采用RISC等更为严谨、可重复性更高的安全性测试方案，并修改现有测试流程以直接应对锂氧化。例如，在过热测试中，温度可以提高到200–220 °C，在与性能测试相同的压力条件下对ASSB进行测试，以观察锂金属熔化和阴极析氧时产生的现象。还可以改进针刺测试，以提高可重复性并能够揭示后续的锂氧化过程。

原文以Metrics for evaluating safe electrolytes in energy-dense lithium batteries为标题发表在2025年10月30日《自然-能源》的Research Briefing版块上