中科院物理所重磅Nature Energy：鈉離子電池重大突破，本征安全無(wú)熱失控！

第一作者：張姣

通訊作者：謝飛、毛慧燦、陸雅翔、胡勇勝

【背景介紹】

安全性始終是各類(lèi)電池技術(shù)發(fā)展的首要前提，研制能夠杜絕熱失控、具備高安全性的二次電池，其研究?jī)r(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義十分突出。近年來(lái)，阻燃型電解液憑借自身不可燃燒的優(yōu)勢(shì)，成為高安全鋰/鈉離子電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，然而僅依靠阻燃特性并不能從根本上避免電池?zé)崾Э?/span>，核心難點(diǎn)在于無(wú)法有效抑制電極與電解液界面在熱作用下的副反應(yīng)失效，以及高溫環(huán)境中正負(fù)極之間的串?dāng)_等問(wèn)題。

此外，目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的安時(shí)級(jí)鈉離子電芯普遍采用硬碳負(fù)極，而以磷酸酯類(lèi)為主的傳統(tǒng)阻燃電解液與硬碳負(fù)極適配性不佳，且相關(guān)體系多需要借助高鹽（局部高鹽）體系或氟化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致成本居高不下，嚴(yán)重制約了其規(guī)模化應(yīng)用。與此同時(shí)，針對(duì)鈉離子電池體系，現(xiàn)有研究大多僅圍繞電解液自身的阻燃性能展開(kāi)驗(yàn)證，缺少在電芯實(shí)際工作條件下的熱安全性能實(shí)證。因此，研發(fā)兼具低成本與界面穩(wěn)定性的阻燃電解液，在安時(shí)級(jí)電芯中保證優(yōu)異電化學(xué)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)熱失控運(yùn)行，已成為高安全鈉離子電池發(fā)展過(guò)程中亟待攻克的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所胡勇勝研究員、陸雅翔研究員、謝飛副研究員聯(lián)合吉林大學(xué)毛慧燦教授提出了一種可聚合阻燃電解液體系（Polymerizable non-flammable electrolyte）（Polynonflyte, or PNE）。利用NaBF₄為主鹽，NaPF₆為輔助界面調(diào)控劑構(gòu)建雙鹽體系，解決了硬碳負(fù)極兼容難題，優(yōu)化了電極-電解液界面；同時(shí)，基于磷酸三乙酯（TEP），在不可燃的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)熱致聚合，在高溫下可快速固化形成隔斷層，屏蔽正負(fù)極間的機(jī)械/化學(xué)串?dāng)_，徹底阻斷電池?zé)崾Э胤磻?yīng)。最終，團(tuán)隊(duì)在3.5 Ah級(jí)圓柱鈉離子電芯中實(shí)現(xiàn)300 ^oC高溫下不發(fā)生熱失控，并可順利通過(guò)針刺試驗(yàn)，電芯不冒煙、不起火、不爆炸！該電解液還展示了優(yōu)異的電化學(xué)性能，即使在4.3 V、211 Wh/kg（基于電芯全重計(jì)算）的高電壓、高比能Ah級(jí)電芯中依然保持穩(wěn)定運(yùn)行并通過(guò)針刺試驗(yàn)。該研究以Thermal runaway-free ampere-hour-level Na-ion battery via polymerizable non-flammable electrolyte”為題發(fā)表于Nature Energy，張姣副研究員為本文第一作者。

圖1 PNE（可聚合不燃電解質(zhì)）的特性。a, 新鮮隔膜以及分別浸泡在碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯基電解液（E3）、磷酸三甲酯基電解液（E5）和磷酸三乙酯基電解液（PNE）中的隔膜的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。b, 上述電解液及對(duì)應(yīng)溶劑的差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試。c, TEP（磷酸三乙酯）溶劑、PNE以及經(jīng)200℃加熱后PNE的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜。內(nèi)嵌圖片為200℃加熱后的PNE。d, TMP（磷酸三甲酯）溶劑、E5以及經(jīng)200℃加熱后E5的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜。內(nèi)嵌圖片為200℃加熱后的E5。e, 溶解有NaPF₆或 NaBF₄的TEP中，Na⁺與 TEP 的徑向分布函數(shù)（RDF）及相應(yīng)的配位數(shù)（DN）。內(nèi)嵌圖展示了第一溶劑化殼層的結(jié)構(gòu)排列。f, 在基于 TEP 的電解液中，Na⁺在NaPF₆或 NaBF₄體系中的去溶劑化活化能（Ea）。g, 不同濃度的 TEP 基電解液的紅外吸收光譜。

圖2 電芯的安全測(cè)試。a, 分別使用 E3（碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯基）、E5（磷酸三甲酯基）和 PNE（磷酸三乙酯基）電解液電芯的針刺測(cè)試。b-d, 沉積了金屬鈉的硬碳（HC）負(fù)極的浸泡測(cè)試。沉積了鈉的硬碳負(fù)極是在0.2C（1C= 300 mAh/g）的電流密度下放電至4.0 mAh。硬碳負(fù)極的負(fù)載質(zhì)量為6.46 mg/cm²。e, ARC（加速量熱儀）測(cè)試前后電芯內(nèi)部變化的照片。ARC測(cè)試后，隔膜完全熔化，正負(fù)極材料粘連在一起。f-h, 基于 E3（f）、E5（g）和 PNE（h）電解液的1.45 Ah 18650圓柱形電芯在加速量熱儀（ARC）測(cè)試中的時(shí)間-溫度曲線。T₁定義為自加熱起始溫度，它是由電池內(nèi)部鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的啟動(dòng)引起的，如果電池處于散熱不良或近乎絕熱的條件下，會(huì)導(dǎo)致溫度自發(fā)且持續(xù)地上升。T₂定義為熱失控觸發(fā)溫度，判據(jù)為溫升速率 dT/dt 達(dá)到 1℃ s^-1時(shí)的溫度。T₃定義為熱失控期間的最高溫度，這是評(píng)估熱失控破壞性的關(guān)鍵參數(shù)。i-k, 通過(guò)氣相色譜分析加速量熱儀測(cè)試過(guò)程中，E3（i）、E5（j）和 PNE（k）電解液的產(chǎn)氣成分分析。l, 3.5 Ah圓柱形電芯的熱濫用（熱箱）測(cè)試。電芯初始重量為83.91g。質(zhì)量的減少主要源于電解液的蒸發(fā)以及分解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體的逸出。

圖3 圓柱形電芯的電化學(xué)性能。a, PNE 電解液基的 O3-NaCu_1/9Ni_2/9Fe_1/3Mn_1/3O₂ // 硬碳（HC） 26700 圓柱形電芯在室溫（RT.）下的循環(huán)性能。b, 該電芯在60℃以 0.5C（1C= 3.5 A）電流測(cè)試的循環(huán)性能。圖 3b 中的內(nèi)嵌圖代表在室溫下充電低溫下以 0.2C（1C = 3.5 A）電流放電的放電曲線。c, 18650 圓柱形電芯在1.5-4.3 V之間的循環(huán)性能。圖 3c 中的內(nèi)嵌圖代表相應(yīng)的充放電曲線。d, 18650 圓柱形電芯在1.5-4.3 V之間的倍率性能。

視頻：4.3V鈉離子電芯針刺視頻，無(wú)起火無(wú)爆炸

【文章鏈接】

https://www.nature.com/articles/s41560-026-02032-7