负极材料如何影响锂电池热失控?石墨vs锂金属针刺与短路对比研究

📰 乔荣涵, 桑林, 张中洋, 等. 石墨与锂金属负极对混合固液锂离子电池短路与针刺安全性的影响[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(10): 3657-3665. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0298

引言

锂离子电池的安全性始终是制约其在高能量密度应用领域拓展的关键瓶颈。负极材料作为电池核心组件之一,其化学活性和物理结构对电池在滥用条件下的热失控行为有着决定性影响。热安全团队(thermsafe.cn)长期关注电池安全领域的前沿研究,本文将基于最新学术成果,深入对比石墨与锂金属负极在针刺及外部短路测试中的安全响应差异。

研究背景

中国科学院宁波材料技术与工程研究所联合中国电子科技集团公司第十八研究所的研究团队,在《储能科学与技术》期刊上发表了关于石墨与锂金属负极对混合固液锂离子电池短路与针刺安全性影响的研究。该研究通过同步监测温度、电压、电流等关键参数,并结合电池拆解分析,揭示了负极材料特性从根本上决定电池失效机制的规律。

外部短路测试:锂金属负极风险更高

在外部短路测试中,两种负极材料表现出截然不同的安全特性:

参数石墨负极锂金属负极
瞬时电流100.9 A148.7 A
最高温度104 ℃273 ℃
热失控风险较低较高

锂金属负极的高反应活性及其循环后表面形成的粉末状沉积锂加剧了副反应放热,导致其瞬时电流和最高温度远超石墨负极。这一结果提示,在外部短路场景下,锂金属负极电池面临更高的热失控风险。

针刺测试:锂金属负极意外胜出

针刺测试的结果却出乎意料——锂金属负极展现出安全优势。针刺造成的局部熔融以及伴随的物理脱离与快速化学钝化,共同使接触电阻上升至超过40 Ω,有效阻断了持续短路,从而避免热失控。与此形成鲜明对比的是,石墨负极因其刚性结构维持短路通路,引发剧烈放热,温度变化速率峰值超过420 ℃/s。

结论与展望

这项研究揭示了负极材料与热失效行为之间深刻的构效关系:在不同滥用条件下,同一种负极材料可能表现出截然相反的安全特性。这为通过负极改性开发兼具高能量密度和高安全性的金属锂负极二次电池提供了新思路。未来,锂电池热安全研究需要从材料设计层面出发,综合考虑多种滥用场景下的安全响应。

引用来源:乔荣涵, 桑林, 张中洋, 等. 石墨与锂金属负极对混合固液锂离子电池短路与针刺安全性的影响[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(10): 3657-3665. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0298