【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】全固態(tài)電池因其采用不可燃無機固態(tài)電解質(zhì)，被視作解決液態(tài)鋰離子電池安全瓶頸的戰(zhàn)略性技術(shù)方向。其中，硫化物固態(tài)電解質(zhì)憑借高離子電導(dǎo)率與良好的機械變形能力，成為最具產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)路線之一。青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心長期深耕硫化物固態(tài)電池領(lǐng)域基礎(chǔ)科學問題與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在低壓電池均質(zhì)化正極、合金負極等關(guān)鍵材料體系與電解質(zhì)成型工藝等方面取得系統(tǒng)性進展，為全固態(tài)電池從材料創(chuàng)新走向工程化應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
隨著研究的深入，硫化物全固態(tài)電池的安全性問題逐漸凸顯。近年多項研究表明，該類電池仍可能在遠低于預(yù)期溫度的異常條件下突發(fā)熱失控。這一反直覺現(xiàn)象對“固態(tài)即安全”的傳統(tǒng)認知構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)。針對這一難題，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心從微觀界面視角切入，致力于系統(tǒng)解析固態(tài)電池熱安全的關(guān)鍵邊界與內(nèi)在機理。研究團隊綜合運用加速量熱、差示掃描量熱與原位質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，結(jié)合多尺度結(jié)構(gòu)表征與第一性原理計算，首次揭示熱失控的真正“點火器”并非體相材料，而是電化學循環(huán)中在正極/電解質(zhì)界面原位形成的亞穩(wěn)態(tài)反應(yīng)層，并系統(tǒng)闡明了硫化物全固態(tài)電池熱失控的電化學-化學雙階段級聯(lián)機制，為后續(xù)固態(tài)電池成組設(shè)計及熱管理策略提供了關(guān)鍵理論指導(dǎo)。
在熱失控前期：硫化物固態(tài)電解質(zhì)在高電壓下發(fā)生電化學氧化分解，生成富含二硫鍵(–S–S–)及磷硫橋鍵(–P–S–P–)的亞穩(wěn)態(tài)界面物種；該類產(chǎn)物與脫鋰態(tài)高鎳正極釋放的活性氧發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，并伴隨SO?、CO?等氣體釋放，成為熱失控的初始“引信”。隨后第二階段：局部溫升觸發(fā)正極與電解質(zhì)的本征化學不相容反應(yīng)，釋放大量熱量，驅(qū)動系統(tǒng)進入不可逆快速升溫，引發(fā)電池劇烈熱失控(圖1)。
圖1 硫化物固態(tài)電池熱失控過程示意圖
此項研究首次厘清了固態(tài)電池電化學界面與化學放熱反應(yīng)之間的級聯(lián)關(guān)聯(lián)，明確電化學衍生界面物種對熱失控的關(guān)鍵觸發(fā)作用，推動全固態(tài)電池安全設(shè)計范式由體相材料單點突破轉(zhuǎn)向體相與界面一體化協(xié)同的策略重構(gòu)。
該工作以“Electrochemical initiation and chemical reaction cascades in dual-stage thermal runaway in sulfide-based all-solid-state batteries”為題發(fā)表在Nature Communications，青島能源所固態(tài)系統(tǒng)技術(shù)中心吳余涵、張舒、孫友龍為第一作者，崔光磊研究員、黃浪副研究員為通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金、山東省重點研發(fā)計劃等項目的資助。
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