研究人员探索锂硫电池热失控的原因

一个研究小组对锂硫软包电池的热安全性进行了系统分析。该团队将他们的研究重点放在了几次充放电循环后导致锂硫电池温度升高的放热反应上。他们的工作有助于了解锂硫电池的热行为，并为这些电池提供更安全、更实际的应用途径。

该团队于2022年12月8日在Particuology杂志上发表了他们的发现。

锂金属电池，尤其是锂硫电池，因其理论比能量密度高、成本低、环境友好等优点而备受关注。由于其高能量密度，这些电池具有用于电动汽车和高端便携式设备的潜力。

然而，在实现锂硫电池的实际应用之前，还有许多挑战需要解决。这些挑战包括正极和正极之间中间体多硫化锂的“穿梭效应”、硫的固有绝缘特性以及锂负极在循环过程中的枝晶问题。

更重要的是，由于锂金属的高活性而产生的热安全问题是锂硫电池实际应用的重要瓶颈。“因此，研究导致锂硫电池在多次充放电循环后温度急剧异常升高的关键放热反应具有重要意义，”东南大学教授程新兵说。

因此，研究团队着手研究深度循环锂硫软包电池的热安全性。他们对锂硫电池的热失控机制进行了综合分析。热失控描述了电池过热的过程。他们发现，溶解的高阶多硫化物与锂金属之间的反应是锂硫软包电池热失控的根源。

一个16循环的软包电池显示出高安全性，在加速量热仪测试期间从30到300°C加热而温度没有急剧升高。相比之下，该团队发现，当带有额外电解质的16循环软包电池被加热到147.9°C时，会发生剧烈的放热反应并产生巨大的热量。

这些电池的各种热行为归因于电解质的不同粘度。电解质的高粘度导致不良溶剂在电极和电解质的界面处扩散。这种不良溶剂的扩散有助于提高高温下电池组件之间的热稳定性。

相比之下，具有额外电解质的45循环软包电池的热行为与没有额外电解质的电池的热行为一致。

在他们对带有额外电解质的45次循环软包电池的研究中，该团队观察到，在加速量热仪测试中，锂硫软包电池在45次循环后的最高温度速率仅为1.72°Cmin-1，其最高温度仅为304.0°C，而带有额外电解质的16循环锂硫电池的数字分别为162.4°Cs-1和436°C。电池的各种热行为归因于循环电解质中的不同多硫化物种类。

“我们发现，树枝状锂与溶解的高阶多硫化物而非低阶多硫化物之间的强烈放热反应导致深度循环的锂硫软包电池温度急剧且异常升高。因此，从安全的角度来看，必须抑制锂硫电池的多硫化物穿梭，”程说。

通过他们的研究，该团队系统地揭示了循环锂硫软包电池的热失控机制。“重要的是制定有效的策略来抑制锂硫电池中不良的多硫化物穿梭和枝晶生长。一旦锂硫电池中的多硫化物穿梭和枝晶生长被完全抑制，锂硫电池的热安全性将大大提高。改善了，”程说。