内部短路起火时间不到3秒，王朝阳院士团队揭示全固态金属锂电池安全隐患

摘要： 来自世界体育报的报道宣称巴塞罗那此前曾要求西班牙足协在此次的国际比赛日里让亚马尔轮休在此前西班牙主场小胜丹麦的欧国联比赛中亚马尔首发出战了分钟直到最后时刻才被替换下场赛后这位锋线新...

来自《世界体育报》的报道宣称，巴塞罗那此前曾要求西班牙足协在此次的国际比赛日里让亚马尔轮休。在此前西班牙主场1-0小胜丹麦的欧国联比赛中，亚马尔首发出战了90分钟，直到最后时刻才被替换下场，赛后这位锋线新星出现了肌肉不适的情况，并最终提前返回了巴塞罗那。

近年来，全固态电池因具有高能量密度的潜在优势，在新能源汽车和能源存储领域备受关注。然而截至目前，全球范围内的全固态电池尚未步入大规模量产阶段。

全固态电池含有锂金属，并且三元正极材料在过热时释放氧气。也就是说，其既是固体燃料又自带氧气，它的安全如何呢？火箭推进剂是与它类似的材料，一旦热失控，全固态电池会像火箭那样发射吗？

带着这些最基本的科学问题，美国宾州州立大学王朝阳院士和日产汽车团队联合开展深入研究，为该领域敲响了“警钟”：全固态锂金属电池没有人们预期的那样安全。

传统观点通常认为，锂离子电池的安全隐患主要来自于液态电解液，人们曾希望用不可燃的固态电解质替代可燃电解液，来提高电池的安全性。

而该研究发现，在充电过程中，锂从正极返回负极形成金属锂沉积。全固态电池内部短路时，金属锂成为了新的可燃物，这颠覆了人们对全固态电池安全性的传统认知。

具体而言，金属锂的燃烧反应速度和剧烈程度都比电解液引发的热失控更快，起火时间仅需 1 到 3 秒内。也就是说，全固态电池一旦采用锂金属作为负极材料，就不可避免地会面临安全风险。

王朝阳表示，在全固态电池安全的基础科学问题未取得实质性突破之前，大规模量产全固态电池可能会造成巨大的资源浪费和经济损失。

他指出，“尽管全固态电池被想当然认为是更安全的，但 锂金属燃烧的安全问题是继续向产业化发展的前提条件。”

图丨王朝阳（来源：王朝阳）

近日，相关论文以《内部短路时锂电池起火的量化分析》（Quantific ion of Lithium B tery Fires in Internal Short Circuit）为题发表在 A Energy Letters 上 [1]。

宾州州立大学葛善海副教授是 作者，王朝阳教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：A Energy Letters）

该研究经历了三年多时间，研究人员设计了一种新方法，对锂离子电池和无负极电池在单层内部短路过程中，火灾或冒烟的发生情况进行定量实验研究。

研究结果显示，无论是含有液体电解质还是不含液体电解质的锂金属电池，在内部短路情况下, 都比锂离子电池更危险。

（来源：A Energy Letters）

该课题组揭示了锂金属全固态电池在内部短路时起火的阈值现象。他们通过对比不同充电状态下的三元正极和磷酸铁锂正极，发现氧气对电池的影响深远。

实验模拟了单层电池内部短路，使用 0.15Ah 无负极电池和镍钴锰三元材料 NMC811 阴极，结果在 2.6 秒内起火，并显示出高度的可重复性。

热力学计算发现，全固态电池中锂金属的燃烧热与电解液相当。其中关键发现是，热输入与短路电流的平方成正比，存在约 70A 的短路电流阈值触发起火，强调了精确控制短路电阻在电池安全研究中的重要性。

该研究表明，全固态电池在内部短路时的起火现象，比传统锂离子电池更剧烈、起火速度更快、燃烧热释放更大。

并且，现有的锂离子电池包安全措施或许无法及时发挥作用，因为这些措施通常需要一定时间来反应，而全固态电池的热失控速度远超过现有安全设施的响应速度。

图丨燃料对锂电池安全的影响（来源：A Energy Letters）

尽管业界对全固态电池技术产业化的预期和预测层出不穷，但历史经验表明，实现这一目标的过程充满挑战和不确定性。

早在 2015 年，丰田汽车就提出了全固态电池产业化的目标，但由于安全性、成本和生产规模等方面的一系列技术挑战，这一目标的落地时间一再被推迟。

现在，业界普遍预计在 2030 年左右，才可能实现全固态电池的商业化，而在此之前必须突破电池安全的科学难题。

王朝阳认为，发展全固态电池，无论是材料、结构还是整个电池层面，首要目标都是提高其安全性。在该问题得到 之前，讨论性能和成本等其他问题不具有实际意义。

他进一步说道：“对产业界而言，技术落地的推迟可能带来重大损失，因为这不仅涉及巨额投资，还包括生产线的构建和人员投入等。”

从 2022 年开始，该课题组已经在探索具有实际意义的、全固态电池安全性的 方案。未来，他们也将继续在该方向持续深入研究。

该团队希望学术界和产业界能够在未来保持密切合作，聚集资源和人才加强技术攻关，从而共同加速推动全固态电池领域的发展和进步。

参考资料：

1.S. Ge, T. Sasaki, N. Gupta, K. Qin, R.S. Longchamps, K. Aotani, Y. Aihara, C.Y. Wang, Quantific ion of Lithium B tery Fires in Internal Short Circuit, A Energy Letters 2024, 9, 5747–5755. https://pubs.a .org/doi/full/10.1021/a energylett.4c02564

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