金属锂负极的热安全行为调控-程新兵.pdf

1、金属锂负极的热安全行为调控程新兵程新兵东南大学东南大学E-mail:高能量密度需求：交通领域电动化高能量密度需求：交通领域电动化eTransportation 2022,13,100189飞行汽车在不同电池能量密度下的续航里程与电池包容量关系高比能金属锂电池高比能金属锂电池极低的电极电势(3.04 V vs.SHE)超高的理论比容量(3860 mAh g1)金属锂负极优势超高的理论能量密度Chem.Rev.2018,118,11433锂金属W=UQ金属锂电池有望在400 Wh/kg应用场景发挥巨大作用J.Cryst.Growth,1976,34,239Nat.Commun.2014,5,519

2、5能量密度低能量密度低Cheng XB,Zhang Q*,et al.Chem.Rev.2017,117,10403挑战：枝晶生长挑战：枝晶生长&高反应活性高反应活性循环寿命短循环寿命短安全性能差安全性能差枝晶生长枝晶生长 高反应活性高反应活性热失控行为热失控行为绝热加速量热仪ARC1.绝热环境2.加热（0300 oC）-等待-搜索（0.2 oC/min,1 oC/s）3.T1:SEI分解，T2：电极与电解液反应（陶瓷隔膜）4.T1、T2越高，T3越低，电池越安全GB 38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求：加热到130oC保持30分钟后，不着火不爆炸。1.Li-NCM523液态电池

3、液态电池新鲜3Ah电池：不热失控；新鲜负极耦合满电正极：热失控SusMat 2022,2,435;J.Energy Chem.2022,72,158;Pouch cellsT1（）T2（）Li-NCM（100%SOC）112215Li-NCM（Coupled sys.）69211Gr-NCM（0.33 C）112216Gr-NCM（1.5 C）72171Gr-NCM（3 C）67104ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,468392.Li-NCM523固态电池固态电池eTransportation,2023,18,1002792.Li-NCM523固态电池固态电

4、池 0%SOC Li-NCM硫化物固态电池不会出现热失控。硫化物固态电池不会出现热失控。热失控是由热失控是由NCM分解的氧与固体电解质之间的反应引起，金属锂不再是热失控起因分解的氧与固体电解质之间的反应引起，金属锂不再是热失控起因501001502002503003500.450.50.55Weight(mg)Temperature(C)Li in O2 atmosphere332.8 oC0.516 mg-40-30-20-100Heat flow(mW mg1)eTransportation,2023,18,100279Particuology 2023,79,103.锂硫电池热安全性锂硫

5、电池热安全性015304560080160240320Temperature(oC)Time(h)T1=78.2oCT1=91.3oCTmax=309.8oCTmax=310oC16-cycle cell45-cycle cell2 cm2 cm2 cm16-cycle cell45-cycle cell未热失控未热失控，电池保持完整结构完整结构不同循环圈数不同循环圈数LiS电池的热安全性分析电池的热安全性分析3.锂硫电池热安全性锂硫电池热安全性121620240100200300400500 Time(h)Temperature(oC)T2=147.9oCT3=436oCTmax=304oC

6、16-cycle cell+electrolyte45-cycle cell+electrolyte降低电解液电解液粘度，45圈循环LiS电池安全，16圈电池圈电池在147.9oC发生热失控Indexes16-cycle cell+electrolyte45-cycle cell+electrolyteT2(oC)147.9/T3(oC)436304添加新鲜电解液添加新鲜电解液Particuology 2023,79,103.锂硫电池热安全性锂硫电池热安全性eTransportation 2022,15,10021129.643.9Li plate14.439.3NCM cathode1503