铝热反应诱发的锂离子电池热失控

研究简介

安全性是锂离子电池(LIB)在电动汽车和储能领域广泛应用的首要考虑因素。尽管已提出了多种机制来解释热失控(TR)，并采取了各种方法来缓解其影响，但电池爆炸仍然时有发生。这主要是由于对TR机制的理解不足。本文结合各种先进的分析技术进行综合分析，发现通常用作LIB正极集流体的铝箔(Al)可以与某些正极活性物质发生反应生成铝热剂。这些铝热反应会产生大量热量，导致LIB爆炸，而这种机制在很大程度上被忽视了。基于这些发现，本文提出在铝箔上涂覆碳可以部分抑制这些铝热反应，并显著提高LIB的热稳定性。这项研究为LIB的TR机制提供了新的见解，并为开发更安全的电池提供了重要指导。

图文导读

图1. 40AhNMC基LIB软包电池的加速速率量热仪(ARC)结果。a–c)分别为0%SoC、50%SoC和100%SoC的NMC基电池的计算机断层扫描(CT)特征图。d–f)分别为0%SoC、50%SoC和100%SoC的NMC基电池热失控(TR)测试的温度-时间曲线。g–i)分别为0%SoC、50%SoC和100%SoC的NMC基电池在不同温度下的温度速率。

图2. ARC处理的3AhLIB软包电池的后分析。a)对不同电池TR过程后收集的气体进行GC-MS分析。b)计算TR过程中不同电池的未释放热量和燃烧程度（参见补充说明2）。c)ARC处理的3AhLIB软包电池的数码照片，其阴极集流体为Al箔，SoC为100%。d)(c)中产生的灰烬的XRD表征。f,g)(c)中产生的灰烬的XPS深度Ni2p和Al2p光谱。e,h)基于LFP和NMC的LIB软包电池的质量比。

图3. 锂离子电池热失控机理。a）以氧化物正极和铝箔为正极集流体的电池中铝热体的形成机理，其中，O代表氧化物正极和电解液释放的活性氧，MO代表氧化物正极材料。b）以氧化物正极或负极和铝箔为集流体的电池热失控机理。

图4.正极电极的原位高温(HT)X射线衍射(XRD)和热重-差示扫描量热法(TG-DSC)。a、d、b、e、c、f)分别为Al@NMC811、Ti@NMC811和Al@C@NMC811电极的原位HT-XRD衍射结果的2D轮廓图。g-i)分别为Al@NMC811、Ti@NMC811和Al@C@NMC811正极的TG-DSC结果。

图5. 基于不同正极集流体的3AhLIB软包电池的循环性能及ARC测试。a–c）分别采用Al@NMC811、Ti@NMC811和Al@C@NMC811正极的3AhLIB软包电池的循环性能。d–f）分别采用Al@NMC811、Ti@NMC811和Al@C@NMC811正极的3AhLIB软包电池在ARC测试过程中的温度-时间曲线。g–i）分别采用Al@NMC811、Ti@NMC811和Al@C@NMC811正极的3AhLIB软包电池在ARC测试过程中不同温度下的升温速率。

研究结论

利用多种技术手段发现了目前商用锂离子电池中铝热反应引发的热失控现象。无论正极类型如何，在高荷电状态下，热失控过程中发生铝热反应的概率都很高。然而，层状氧化物正极更容易发生铝热反应，因为其热稳定性较差，会释放活性氧，加速铝箔的氧化。虽然热失控过程中的铝热反应无法完全消除，但用碳涂层铝箔代替铝箔可以有效提高锂离子电池的安全性。对于本质上更安全的电池，未来的研究需要抑制或消除铝热反应，以使热失控得到控制。