本研究提出的鋰電池“高安全、高比能、長壽命”一舉三得！或將推動新能源汽車跨越式發展。只需在閑置條件下將電池鈍化以確保安全，然后在運行前自動加熱以產生高功率，這對電池材料的未來發展方向將產生深遠影響。電池在60°C下實現了超過4000次循環，夠電動汽車跑517000英里，這是寶馬i3以70%使用率行駛使用8年的5倍。

眾所周知，可充電鋰離子電池（LIBs）廣泛用于電動車輛，消費類電子產品和固定式能量存儲系統，同時實現高安全性和高能量密度是永恒的追求。近日，美國賓夕法尼亞州立大學王朝陽院士團隊提出了一個全新的概念，即：鈍化電池和加熱使用，同時獲得了既安全又高性能的鋰離子電池（SEB），這也打破了傳統電池界兩者不可兼得的格局。此外，由此制備的SEB電池能夠循環4000多次，有望促進新能源汽車的發展。相關論文以題為“A new approach to bothhigh safety and high performance of lithium-ion batteries”于2020年2月28日發表在Science Advances上。

論文鏈接

https://advances.sciencemag.org/content/6/9/eaay7633

傳統電池的性能、安全性和循環壽命都是由負極/電解質和正極/電解質界面（EEI）上的電化學反應決定的，由此造成的在電極的反應性和穩定性之間的沖突限制著LIBs的發展。更具體地說，高活性電極/電解質材料提供高功率和高性能，但導致安全性差和加速容量衰減，即使在電池不使用的情況下也會如此。高度穩定（即反應性較低）的電極/電解質材料擁有安全性、低降解性、低自放電和長壽命，但這類材料往往提供低功率和差性能。因此，電池材料的開發一直是為了權衡電極和電解質材料的選擇。

這項工作描述了一種實現安全和高能量電池（SEB）的新策略。如圖1所示，其中電池電阻與溫度的倒數相對應，通過使用高度穩定的材料構建穩定的EEI，具體來講，通過在常規碳酸酯電解液中加入少量的磷酸三烯丙酯（TAP），從而在電池內部形成堅固穩定的EEI以提高鋰離子電池在高溫條件和高壓條件下的耐受性。

圖1.SEB與傳統LIBs的性能比較

值得注意的是，TAP的添加使得鋰離子電池內部阻抗增加了5倍之多，從而保證了電池的高安全性和熱穩定性，這種高阻抗的LIBs能夠順利通過針刺、短路和高溫儲存等多種安全性測試。同時，電池在使用前在幾十秒內從室溫加熱到60℃，使電池內阻降低，從而得到高功率的鋰離子電池。雖然之前TAP基電解質在石墨/NCM442基電池中的兩個電極上形成厚的保護層已經被研究，但選擇使用TAP來創建電阻式鋰離子電池則是第一次被提出。

圖2.SEB與傳統LIBs的機理解釋

圖3.電池功率與溫度的關系

新型的SEB在針刺、高電壓充電和高溫儲存時均表現出優異的安全性能和循環性能。除了安全性和高功率之外，對于LIBs的長壽命的需求也在不斷增長。由高度穩定的材料制成的低反應性SEB電池具有更長的循環壽命。高壓下SEB的穩定性使其充電至4.4V時，SEB的放電容量增加12.7％，同時產生14.5%的額外能量，同時自放電電流比常規電池小7倍。在60°C的溫度下工作時，其放電功率增加81％，充電功率增加65％。

此外，SEB在60°C下實現了超過4000次循環，擁有75%的容量保持率，這4000多次循環的平均放電容量為等效全電池（EFC）的84.2%。假設電動汽車每個EFC的行駛里程為153英里（例如2019年寶馬i3），4014多次循環意味著著超過517000英里的使用壽命，這是寶馬i3以70%使用率行駛使用8年的5倍以上。

圖4.60°C時循環穩定性比較

圖5.SEB與傳統LIBs循環前后電極的SEM圖像

圖6.SEB與傳統LIBs循環后電極的XPS分析

在電動汽車的背景下，引入SEB在能量密度和降低成本方面獲得了很大的收益，這主要體現在：（i）簡化或完全取消了熱管理系統；（ii）增強SEB電池的安全性，從而能夠卸下電池中安裝的部分或全部安全設備；（iii）SEB電池始終在單個恒定溫度下工作，電池管理系統（BMS）得到簡化。

基于此，在不引入新的化學反應或電池制造技術的情況下，SEB電池的能量密度增加25%至30%，成本降低30%是完全有可能的。更廣泛地說，本文所提出的策略是在閑置條件下將電池鈍化以確保安全，然后在運行前自動加熱以產生高功率，這對電池材料的未來發展方向將會產生深遠影響。（文：Caspar）

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