【仪表网 研发快讯】近日，南方科技大学创新创业学院副院长、材料科学与工程系教授邓永红团队联合SES AI公司许康博士在能源领域顶级期刊Joule上发表题为“A thermoresponsive electrolyte additive for high-energy, long-cycling, and safe lithium batteries”的研究论文，报道了一种新型锂电池全阶段智能热响应添加剂——3-苯基-7-(三氟甲基)-3,4-二氢-2H-1,3-苯并噁嗪(mCF3-BA)。该研究成果一经发布便引发业内广泛关注，并已收到多家企业合作意向。
 

图1 热失控缓解策略示意图
 

　　解决锂电池高能量密度与安全需求的根本冲突是锂电池研究中非常棘手的问题。目前工业生产中广泛应用的硫酸乙烯酯(DTD)、甲烷二磺酸亚甲酯(MMDS)等热稳定性添加剂，其机理旨在增强SEI热稳定性，从而提高热失控失效第一阶段(TR-1)的阈值温度。然而，该类添加剂虽在TR-1过程有效，但在更极端的滥用场景中被证明是无效的。阻燃添加剂，如有机磷等自由基猝灭单体，在中和由溶剂分解和阴极电极的失效产生的大量自由基方面非常有效，但其往往也会带来电池性能下降等问题。全固态电解质(ASSE)因具备优异的尺寸稳定性、热稳定性和机械强度，被视为理想的高安全性电池解决方案，但其大规模应用仍面临诸多从基础科学到工程实践的挑战。近年出现的新型热响应电解质可在特定温度下发生物理或化学转化，呈现绝缘状态，从而防止灾难性的热失控后果，然而该类设计策略通常需构建全新的电解质系统，缺乏通用性和经济性。
 

　　图2 BA/mCF3-BA添加剂在Li||NCM811电池中的电化学稳定性与电化学表现
 

图3 Li||NCM811电池CEI/SEI的表征
 

图4 500mAh Li||NCM811软包电池安全性能评估
 

图5 1800mAh Si@Gr450||NCM811软包电池安全性评估
 

　　为了解决这些难题，研究团队提出了一种简洁而有效的安全增强策略，不需要重构电解液体系，而是通过精细分子设计，使添加剂在正常与异常工况下实现功能切换，兼顾高能量密度与高安全性，克服了性能与安全难以兼得的核心矛盾。团队设计合成了3-苯基-7-(三氟甲基)-3,4-二氢-2H-1,3-苯并恶嗪(mCF3-BA)作为锂电池全阶段智能热响应添加剂。该添加剂在电池正常循环时可参与形成稳固的CEI/SEI界相，在热失控下会发生快速聚合，从而达到电化学性能和安全性之间的平衡。该锂电池全阶段智能热响应添加剂的工作机理示意如下：(1)在电池正常循环期间，部分mCF3-BA在电极表面聚合，参与形成均匀、富含LiF和耐高温的CEI/SEI界相。Li||NCM811锂金属电池的界相失效温度T1从85.3 ℃提升至103.5 ℃，Si@Gr450||NCM811锂离子电池T1从105.7 ℃提升至119.3 ℃；(2)随着温度升高至热失控阈值温度，mCF3-BA发生快速聚合，在电池内形成绝缘的聚苯并噁嗪树脂凝胶，从而有效抑制负极和正极材料之间的化学串扰和电化学反应。Li||NCM811锂金属电池的热失控温度T2从153.1 ℃提升至187.6 ℃，Si@Gr450||NCM811锂离子电池的T2从142.8 ℃提升至186.7 ℃。mCF3-BA添加剂与传统高温添加剂相比具有显著的优越性，可在锂电池热失控全过程中发挥作用。这项工作为未来高能量密度和安全电池的实际应用提供了一个有前景的设计方案。
 

　　论文共同第一作者为博士生曾雍与刘方正，共同通讯作者为邓永红，南科大创新创业学院研究教授王军、研究助理教授徐洪礼，SES AI许康博士，合作单位包括华南理工大学和香港科技大学。研究得到了国家重点研发计划、高水平专项资金、广东特支计划、深圳市科技项目等的资助。