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华中大谢佳教授团队 Angew: 靶向修复SEI钝化锂化石墨用于抑制锂离子热失控早期的放热副反应

时间：2023-02-06 来源：浏览：

华中大谢佳教授团队 Angew: 靶向修复SEI钝化锂化石墨用于抑制锂离子热失控早期的放热副反应

化学与材料科学化学与材料科学

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微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#锂离子电池 33 个

#碳酸酯基电解液 3 个

#热失控 2 个

#放热副反应 2 个

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锂离子电池热失控是导致电池安全事故的关键，引起社会各界的高度关注。 LiC _x 与电解液的放热副反应不仅是导致热失控早期热量积累的主因，也是推动热失控发展的导火索。理论上，构建高热稳定性的 SEI 可有效地抑制上述反应。然而， SEI 本质上含有各种不稳定的有机成分，会在 60 ℃ 左右发生放热分解反应，目前尚无有效策略以应对热失控早期放热副反应。

近日， 华中科技大学 的谢佳教授团队首次发现，高于 70 ℃时，锂化石墨 (LiC _x ) 触发 1,3,5− 三甲基 −1,3,5− 三 (3,3,3− 三氟丙基 ) 环三硅氧烷 (D ₃ F) 的开环聚合，可在热失控早期实时靶向钝化 LiC _x ，高效抑制其与电解液的放热副反应，从而设计出 一种可靶向修复 SEI 的碳酸酯基电解液 。使用该电解液的软包电池自放热温度和热失控触发温度分别从 159.6 ℃ 和 194.2 ℃ 提高到 300.5 ℃ 和 329.7 ℃ 。本工作为开发抑制电池放热副反应和阻断热失控反应的功能电解液开辟了新途径。相关工作以 “ Passivating Lithiated Graphite via Targeted Repair of SEI to Inhibit Exothermic Reactions in Early−Stage of Thermal Runaway for Safer Lithium-Ion Batteries ” 为题，发表在《 Angewandte Chemie International Edition 》期刊上。华中科技大学博士研究生伍远锞为本文第一作者。

图 1 LiC _x 钝化电解液设计思路及燃烧性测试。

由于 D ₃ F 与碳酸酯电解液（ RCE ）并不互溶，因此作者选用具有中等极性，同时高度氟化的 1,1,2,2- 四氟乙基 -2,2,3,3- 四氟丙基醚（ TTE ）作为共溶剂，成功将 D ₃ F 引入到 RCE 中。得益于高度氟化的结构， D ₃ F 在高温下释放氟自由基，可猝灭氢、氧自由基，同时生成二氧化硅，隔绝氧气以达到阻燃效果。燃烧测试结果表明该电解液同时具有良好的不燃性。

图 2 LiC _x 引发 D ₃ F 开环聚合证据及对 LiC _x 的钝化效果

作者分别探讨了石墨锂化方法（化学锂化和电化学锂化）、荷电状态、反应温度对开环聚合反应的影响，结果表明不同荷电状态的 LiC _x 都能引发 D ₃ F 的开环聚合反应，且不受 SEI 的影响。热稳定测试表明聚 -D ₃ F 具有优异的热稳定性，为阻隔 LiC _x 和电解液之间的反应，抑制热失控早期热量积累奠定基础。

图 3 LiC _x 钝化电解液在软包电池中的安全性验证

为了更好地理解 D ₃ F 在早期抑制热失控的行为，作者分别对含 RCE 和 RCE-TTE+D ₃ F 电解液的 5 Ah LiFePO ₄ / 石墨软包电池进行了加速绝热量热（ ARC ）测试。加入 D ₃ F 后，电池的自加热温度（ T ₁ ）从 159.6 ℃上升到 300.5 ℃，热失控触发温度（ T ₂ ）从 194.2 ℃上升到 329.7 ℃。温度 - 时间曲线显示在 ARC 系统启动 63.5h 和 64.9h 后，含 D ₃ F 电池才会出现自加热和热失控现象，相比于不含 D ₃ F 的电池分别延后了 28.4h 和 30.8h 。结果表明，靶向修复 SEI 膜可以有效抑制 LiC _x 与电解质之间的放热反应，从而显著提高电池的热安全性。

该工作提出并证明了靶向修复 SEI 的机制及抑制热失控早期副反应对提升锂离子电池安全性的作用。为抑制热失控早期热量积累和提高电池安全性提供了一种新的可行性方案。

作者简介

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谢佳教授简介：谢佳教授华中科技大学教授、博士生导师，国家重点研发计划项目和青年 973 计划项目首席科学家。 2002 年于北京大学化学与分子工程学院获学士学位； 2008 年于斯坦福大学化学系获博士学位； 2008-2012 年美国陶氏化学任资深研究员； 2012 年初回国，担任合肥国轩高科研究院院长，从事动力电池研发及产业化工作； 2015 年担任华中科技大学教授。近年来在新型电化学储能基础研究与技术应用等方面取得了多项原创性成果。在 Nat. Commun., Energy & Environ. Sci., Adv. Energy Mater. 等顶级期刊发表 SCI 论文 150 余篇，获专利授权 79 项，其中发明专利 50 项。

课题组主页： http://rest.seee.hust.edu.cn/index.htm

曾子琪讲师简介：曾子琪博士， 2013 年及 2018 年分别于武汉大学化学与分子科学学院获理学学士和博士学位，师从曹余良教授。 2018 年至 2021 年在华中科技大学谢佳教授课题组从事博士后研究工作，现为华中科技大学电气学院讲师。长期从事电化学储能技术及功能性电解质材料的研究开发工作，重点关注电解液组成、结构与界面之间的构效关系。在 Nature Energy 、 Advanced Energy Materials 、 Energy & Environmental Science 等国际顶级期刊发表论文 30 余篇，获国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上资助。