Battery Energy：LiNixMnyCo1‐x‐yO2作為正極材料的鋰離子電池熱失控機理研究進展

一、導讀

鋰離子電池(LIBs)具有長循環壽命、高能量和功率密度，是電子產品和交通運輸電源的主要儲能技術。然而，“熱失控(TR)”等安全失效問題會阻礙LIBs的快速發展。LIBs的熱失控通常由放熱反應引起，失控后LIBs在短時間內釋放大量的熱量。除高溫外，LIBs濫用或老化還可能導致燃燒或爆炸。大規模LIBs的TR可能是毀滅性的災難。大多數情況下，TR是源于各種濫用，包括電氣濫用(包括短路、過充、過放電或快速充電)、機械濫用(包括擠壓、碰撞或穿透)和熱濫用。因此，了解LIBs的TR過程和機制對于緩解TR至關重要。

二、成果掠影

清華大學何向明教授簡要回顧了近20年來LIBs的TR研究進展，并對近年來在材料/電池/模塊水平上，不同陰極的LIBs的TR機制的研究進展進行了討論。作者提出了LiNi_xMnyCo_1‐x‐yO₂ (NMC)‐基LIBs最新的加速量熱計(ARC)數據，并重新思考液態電解質在TR中的作用。最后，研究討論了目前最常見的TR機制知識，并簡要總結了緩解TR的策略。

相關研究工作以“Trends in a study on thermal runaway mechanism of lithium‐ion battery with LiNixMnyCo_1‐x‐yO₂ cathode materials”為題發表在國際知名期刊Battery Energy上。

三、核心創新點

1.作者簡要回顧了LIBs的TR研究進展，并對不同陰極LIBs的機理研究進行了綜述。最后討論了目前最知名的研究TR機制的知識，并簡要總結了緩解TR的策略。

2.作者認為熱化學和熱物理的研究領域需要分別關注多尺度下的化學反應和熱傳導，并聚焦電化學方法、熱化學分析方法、先進微結構/譜學表征和失效電池“逆向解析”，提出了未來開展的研究工作的方向。

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四、數據概覽

圖1鋰離子電池熱失控機理研究歷程示意圖?2022 The Authors

圖2 (A)用于TR研究的不同參數的電池重組過程示意圖。(B) ACR TR試驗控制單元和三個特殊修飾單元的溫度速率與絕對溫度的關系。?2022 The Authors

插圖是用破折號標記的區域的放大圖。ARC，加速量熱計;TR，熱失控。

圖3 NMC LIB的TR機理研究的有前景的方法示意圖。?2022 The Authors

兩個半透明的循環分別顯示了熱化學和熱物理的兩個類別，分別側重于反應和熱傳導。四個角塊圖介紹了電化學測量、電弧TR測試、高級表征和死后分析的方法。ARC，加速量熱計;TR，熱失控。

五、成果啟示

基于NMC LIBs的TR研究進展和本文提供的數據，作者認為液態電解質在TR過程中可以作為氧緩速劑，在TR后期阻礙氧觸發的強烈放熱反應。本文對未來的研究進行了展望，并提出了有前景的研究方法。

1.TR的研究可分為兩類:熱化學和熱物理，分別側重于化學反應和熱傳導。熱化學涉及到在多尺度上對中間產物和材料變化的高精度表征，而熱物理涉及到在多尺度上對熱過程中熱傳導和其他參數的高精度測量和模擬。

2.多尺度X射線計算機斷層掃描、4D納米斷層掃描和高速成像技術是了解電池故障的綜合方法。原位同步加速器X射線技術與原位質譜技術相結合，可以表征鋰化石墨陽極在加熱過程中的固體電解質膜固體電解質界面（SEI）分解、氣體釋放和鋰浸出，證明了它們在界面演化研究中的作用。由于TR過程中電化學和熱表征的數據量非常大，仿真需要由機器學習支持的高精度數據驅動計算模型。對于ARC TR測試，研究人員應開發高精度的量熱技術和合理的ARC測試設計。此外，使用液氮終止TR等懸浮技術可以幫助了解不同的TR階段。

3.逆向解析值得更多的研究努力，因為多尺度斷層掃描方法可以用于揭示顯著的形態和相位變化，例如SEI和正極電解質界面（CEI）的演化可以通過逆向解析cyro-TEM或NMR技術來描述。此外，重組電池可以區分不同成分的降解貢獻，如陰極、陽極、分離器、電解質等。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bte2.20210011

本文由張熙熙供稿。