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文章題目：Strategies to Solve Lithium Battery Thermal Runaway: From Mechanism to Modification作者：Lingchen Kong, Yu Li, Wei Feng*單位：天津大學

【論文亮點】

1、鋰電池應用廣泛，潛力巨大，在各類電池中最具有可靠性。但鋰電池運行過程中的熱失控現(xiàn)象是一個亟待解決的問題。文章所選主題和鋰電池的發(fā)展密切相關，關系到鋰電池的未來發(fā)展前景。

2、本綜述首次詳細揭示了鋰電池的熱源機理，第一次全面闡述了鋰電池熱失控的原因和鋰電池過熱所造成的危害。

3、首次創(chuàng)新性的從組成部件討論鋰電池的熱問題，從正極、負極、電解質、隔膜、集流體等方面貫穿融會的介紹了提高鋰電池熱穩(wěn)定性的策略。

【圖文導讀】

（1）前言

隨著全球能源政策逐步由化石能源向可再生能源轉變，鋰電池作為一種重要的儲能設備，具有比其他電池更大的優(yōu)勢，因此受到了廣泛的關注。隨著鋰電池能量密度的不斷增加，提高其使用的安全性刻不容緩。熱失控是鋰電池研究中不可避免的安全問題。關注鋰電池材料的熱危害并采取相應的預防措施具有重要意義。根據(jù)電池熱量的來源，可將其分為可逆熱和不可逆熱。多余熱量的產生有深遠的影響，包括熱失控，容量損失和電荷不平衡。隨后，本綜述重點討論了從各種電池固有部件(陽極、陰極、電解液、隔板等)方面抑制熱失控的設計和改造策略。

（2）文章內容概括

能源是人類生存和發(fā)展所必需的，是社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。到目前為止，鋰電池由于其超高的能量和功率密度，優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和環(huán)保性，已經(jīng)被證明是幾乎最重要的能量存儲設備。鋰電池在提供能量的同時，會產生一定的熱量。鋰電池通常具有超高的能量密度，能量密度越高，熱的穩(wěn)定性越差。在極端溫度和過充/過放電等惡劣條件下，鋰電池會失效。1912年，G. N. Lewis成功研制出第一批鋰電池，并于20世紀90年代被批準生產和商業(yè)化。然而，最初的產品由于熱失控而發(fā)生了燃燒事件。失效機制被確定為在電極上形成鋰枝晶，鋰枝晶刺穿隔膜，導致短路。同時，溫度的升高使金屬鋰熔化，最終導致熱失控。

大多數(shù)典型的電池組件，如隔板、電解質和包裝，都是易燃的，在各種不利條件下會破壞電池固有的穩(wěn)定性。由于溫度的升高，鋰電池中的各種副反應被觸發(fā)，產生無法釋放的熱量，從而在電池內部引發(fā)連鎖反應，導致熱失控。最終，可能會發(fā)生災難性的后果，如嚴重燃燒和爆炸。

圖1 鋰電池熱失控的各種原因及造成的結果

鋰電池的四種基本成分是陰極、陽極、電解質和隔膜。當鋰離子在正極和負極之間移動時，鋰電池和外部電線形成一個閉合電路，從而對外做功。為了最大限度地發(fā)揮鋰電池的便攜性和高能量密度優(yōu)勢，拓寬市場，全面緩解鋰電池的熱危害，研究旨在加強電池的固有安全性，完善電池的熱管理系統(tǒng)，防止熱失效。

1）陽極材料：制備具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和力學性能的SEI層是任何陽極材料改性策略的核心，能夠提高鋰電池的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性。鋰枝晶無序生長會導致枝晶刺穿隔膜，發(fā)生短路。具有高親鋰性的主體材料可以引導金屬鋰的沉積，抑制鋰枝晶的形成。

圖2 各種在鋰陽極和電解質之間建立人工SEI膜的策略以提高陽極材料的熱穩(wěn)定性和力學性能 (b) Copy right ? 2019 John Wiley and Sons. (c) Copyright ? 2019 Elsevier. (e) Copyright ? 2018 John Wiley and Sons. (f) Copyright ? 2018 John Wiley and Sons

2）陰極材料：在電池內部的反應過程中，陰極的導電性比陽極低，并產生更多的熱量。以CFx陰極為例，可以通過提高陰極的導電性來降低Li/CFx電池工作時所產生的熱量。使用添加劑或涂覆層和元素替代是提高插層型陰極熱穩(wěn)定性常用的有效方法。

圖3 各種陰極保護策略，包括添加劑和原子層沉積等方法 (b) Copyright ? 2014 John Wiley and Sons. (c) Copyright ? 2015 American Chemical Society. (d) Copyright ? 2017 American Chemical Society. (e) Copyright ? 2015 John Wiley and Sons. (g) Copyright ? 2017 John Wiley and Sons

3）電解質材料：磷酸三苯酯、含硅、含氟添加劑能提高電解質的熱穩(wěn)定性。高活性添加劑可以抑制傳統(tǒng)LiPF6電解液分解產生的PF5和HF反應物種的形成。此外，安全的全固體電解質也具有廣闊的應用前景。

圖4 高安全性的固態(tài)電解質材料 (b) Copyright ? 2021 John Wiley and Sons. (d) Copyright ? 2019 John Wiley and Sons. (e) Copyright ? 2019 Nature Publishing Group. (g) Copyright ? 2021 John Wiley and Sons

4）隔膜材料：鋰電池常用的隔膜是熱穩(wěn)定性差的聚烯烴膜(PP或PE)。采用熱穩(wěn)定性較好的PI和PPS材料作為分離器，可大大提高隔膜材料的熱穩(wěn)定性。使用熱響應材料可以實現(xiàn)在電池過熱時及時切斷化學反應，防止熱失控。

【核心結論】

本文綜述了鋰電池的工作機理，闡述了鋰電池在充放電過程中的不同熱源和各種熱危害。一旦電池遇到極端的情況(物理損壞、過充、過放電、過熱和短路)，她將不可避免地失效并產生大量的熱量。多余的熱量產生有深遠的影響，包括熱失控，容量損失，電荷不平衡。電極材料的選擇和電池結構的優(yōu)化都可以提高鋰電池的安全性能，抑制熱失控。制備具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和力學性能的固體電解質界面層(SEI)是陽極材料改性策略的核心。添加劑、穩(wěn)定涂層、元素取代和熱響應涂層材料是提高陰極安全性的常用方法。新型電解質添加劑、固態(tài)電解質和熱穩(wěn)定隔板為解決下一代高性能電化學存儲器件的熱失控問題提供了良好的機會。

引用信息：Kong, L., Li, Y. & Feng, W. Strategies to Solve Lithium Battery Thermal Runaway: From Mechanism to Modification. Electrochem. Energy Rev. (2021).

https://doi.org/10.1007/s41918-021-00109-3

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