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由于有機液體電解質的揮發性和易燃性，鋰離子電池（LIB）被認為是不安全的。然而，其替代品（固體、無機等）的研究在商業化方面仍面臨嚴峻障礙。

在此，清華大學歐陽明高院士、王莉副研究員及馮旭寧等人提供了針對LIBs災難發生前較早的熱積累（HA）階段的新安全設計路線以提前防止熱失控（TR），并發現特定的還原性氣體在這個早期階段占主導地位。先前的研究表明，HA反應僅發生在負極-電解質界面（AEI）且僅有助于持續的熱量積累，與TR沒有化學關聯。

因此，避免熱量積累的唯一方法是尋找最終穩定的負極和電解質。然而，作者對LIB熱失效途徑的新見解表明，在低于80 °C的溫度下存在的與所有主要電池組件（正極、負極和電解質）相關的有害化學串擾，即“還原性氣體侵蝕”主導著HA 階段并化學促進TR。只要切斷這種“還原性攻擊”反應途徑，就可以輕松控制熱失效并有效防止TR。

圖1. 還原性攻擊熱失效路徑示意圖及相應的抑制方法和對策

具體而言，還原性氣體，特別是那些鍵解離能（BDEs）較低的氣體（C₃H₆, C₃H₄, C₂H₄, C₂H₂等）首先在AEI產生，然后遷移到電池內部并侵蝕正極晶體，在遠低于原始晶體變化的溫度下誘導氧氣釋放且產生大量的熱量和氣體。

熱量和氣體的積累及電池中有害的還原性和氧化產物都促進了電池的熱失效過程，從而最終導致TR。因此，電池熱失效可能通過操縱特定的有害化學物質而不是替換整個化學物質來控制。

基于此，作者設計了四種策略（界面電子剝奪、溫度響應毒性層、強制排氣、冷卻功能隔膜）來控制還原性氣體的生成、遷移和侵蝕，并使用容量高達60 Ah、能量密度為280 Wh kg^-1的高能NCM811/SiC軟包電池進行了驗證。

總之，這項工作對早期熱失效的新見解及相關的安全設計路線將克服有機電解液的局限性，并重新點燃傳統液體化學物質安全應用的曙光。

圖2. 有效抑制TR的四大安全對策

Reductive gas manipulation at early self-heating stage enables controllable battery thermal failure, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.10.010

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歐陽明高/王莉/馮旭寧Joule: 減少電池熱失控，控制還原性氣體是關鍵！

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