研究背景及思路
- 研究背景：锂离子电池因其高储能密度和充放效率，在新能源汽车和储能系统中应用广泛，但热失控事故频发，威胁生命财产安全。2023年中国新建储能系统中，锂离子电池占比达97.3%。
- 科学问题描述：锂离子电池热失控源于内部热化学-电化学-传热耦合作用，高能量密度化与安全运行存在矛盾，事故灾害水平逐步提升。
- 研究挑战：材料设计（电化学活性高材料热稳定性差）、电池设计（高能正/负极难以安全利用）、系统失效安全（单节失控导致能量级跃迁）。
- 研究思路：基于热化学反应设计目标，通过调控约束条件实现电池性能优化，采用反应时序解析和调控机制。
电池热失控的反应机理
- 研究方法：绝热量热法（EVARC）和差示扫描量热法（DSC）结合，建立热释放时序解析，揭示物质承载的热化学反应释能机理。
- 反应机理：负极还原性气体攻击正极诱导热失控，反应时序解析连接电池热失控机理与失效释能特征。
- 电池热失控与燃烧关系：内部反应越剧烈，喷发物温度越高但可燃性越低，调控目标为降低反应温度和喷发物可燃性。
电池热失控反应调控
- 目标：降低热失控总释能量（能量卸载）。
- 调控方案：
- 热化学反应的电调控：反向电流放电与副反应争夺电子，抑制反应产热、减少还原性气体生成。实测容量59.5Ah，能量密度275Wh/kg。
- 安全电解液配方调制：减少电解液热解产生的还原性气体，如去除EC成分，采用PC/FEC/EMC体系。调配方案1：0.8M LiPF6 + 0.5M LiFSI + 0.2M LiDFOB in PC/FEC/EMC = 3:1:6；方案2：1.1 M LiFSI in DMC + 2 wt.% FEC + 2 wt.% LiPF6。
- 电池自毁原理与设计：
- 化学自毁：采用毒化剂打断反应区内部反应链，筛选30+种毒化剂，释放机制包括壳体破裂和相变。
- 物理自毁：异质结构金属涂层复合集流体断裂，切断电子通路；高温隔膜+定向排气阀组合式设计，降低热失控最高温度400℃以上。
电芯落地开发
- 关键技术：25 Ah SEVC1072180-25-310电芯开发，结合国家标准和多项合作成果。
- 成果合作：与四川新能源汽车创新中心、赛科检测等企业合作，并获多项学术和政府委托项目支持。
贡献与展望
- 新能源汽车事故调查：指明爆炸物来源，快速复现事故蔓延过程，锁定事故起始电芯。
- 自毁电池设计：物理自毁方案包括金属涂层断裂和力的放大化装置，化学自毁方案通过毒化剂调控反应时序。
- 未来方向：进一步优化电解液配方和自毁机制，提升电池本质安全和系统失效安全。
