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河南大學(xué)趙勇、赫金玲Small：用于安全鋰基電池的阻燃材料分子工程

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-12-05 14:29:30

隨著化石燃料枯竭及燃燒帶來的環(huán)境問題日益嚴峻，風(fēng)能、太陽能等可再生能源快速發(fā)展，但這類能源的間歇性與地理局限性推動了儲能系統(tǒng)及電池技術(shù)的進步，鋰基電池憑借優(yōu)異的能量密度成為現(xiàn)代電化學(xué)儲能與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心，廣泛應(yīng)用于消費電子、電動汽車及國防領(lǐng)域。然而，鋰基電池的安全風(fēng)險不容忽視，其安全隱患主要源于電池?zé)崾Э兀═R）引發(fā)的有機電解液燃燒，甚至可能導(dǎo)致爆炸，且隨著對高能量密度需求的提升，下一代鋰基電池在極端條件下的熱穩(wěn)定性等安全性能面臨更高要求。當(dāng)前，鋰基電池在機械濫用（如撞擊、針刺）、電氣濫用（如過充、過放、內(nèi)部短路）和熱濫用（如過熱、起火）等場景下，易發(fā)生隔膜損壞、鋰枝晶生長、電解液氧化等問題，進而引發(fā)放熱鏈式反應(yīng)，導(dǎo)致熱失控（溫度可超過 300℃，甚至達 800℃以上），使有機電解液因閃點低而快速揮發(fā)燃燒。盡管已采用壓力釋放閥、電流中斷裝置等安全設(shè)備，且研究人員探索了高濃度鋰鹽電解液、離子液體電解液、準固態(tài)電解液、固態(tài)電解液等提升安全性的方案，但這些方案存在成本高、離子電導(dǎo)率低、界面穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)。相比之下，在有機電解液中添加阻燃劑（FR）無需改變現(xiàn)有電池制造工藝，兼具成本效益與商業(yè)可用性，還能最小化對電池電化學(xué)性能的干擾，成為提升鋰基電池安全性的有效途徑，在此背景下，對阻燃材料分子工程的研究具有重要意義。

近日，河南大學(xué)趙勇、赫金玲團隊圍繞阻燃材料分子工程以提升鋰基電池安全性展開研究，首先闡述了有機物燃燒機理與燃燒 “火三角”（熱量 / 溫度、燃料 / 有機物、O?）對電池燃燒的影響，明確有機電解液燃燒是電池安全風(fēng)險的核心誘因，其燃燒過程涉及鏈引發(fā)、鏈傳遞、鏈終止的自由基鏈式反應(yīng)，熱失控會進一步加劇這一過程。在此基礎(chǔ)上，從分子層面系統(tǒng)分析了不同類型阻燃劑（FR）的作用機制，將其分為三類：一是抑制溫升型阻燃劑（FR-ITR），以相變材料（PCMs）為代表，通過相變吸熱（如石蠟 wax 在 60-65℃發(fā)生固 - 液相變）或水合材料脫水吸熱降低電池內(nèi)部溫度，部分還能改變熱失控反應(yīng)路徑；二是降低電解液易燃性型阻燃劑（FR-REF），含磷、鹵素、氮等元素的化合物（如磷酸酯類、全氟化合物、含氰基聚合物）在高溫下釋放自由基（如 F?、PO?），猝滅燃燒過程中產(chǎn)生的 H?、HO?等鏈傳遞自由基，中斷放熱鏈式反應(yīng)，且通過聚合物封裝等方式可避免其與電極 / 電解液發(fā)生副反應(yīng)；三是降低 O?含量型阻燃劑（FR-ROC），如聚磷酸銨（APP）在高溫下分解生成惰性氣體（NH?、CO?）稀釋 O?濃度，或形成致密碳層隔絕 O?與可燃物接觸，同時兼具隔熱作用。此外，本文還探討了多種阻燃劑協(xié)同使用的策略，例如 FR-ITR 與 FR-REF 結(jié)合（相變材料與磷酸酯類復(fù)合）、FR-REF 與 FR-ROC 結(jié)合（含溴阻燃劑與 Sb?O?復(fù)合），通過發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)進一步提升阻燃效果。最后，本文從分子工程（如在溶劑或準固態(tài)電解質(zhì)聚合物中引入 F、N、P 等阻燃元素）與物理復(fù)合（如將相變材料、自由基猝滅劑等整合到單一分子體系）兩方面，提出了未來提升鋰基電池阻燃安全性的研究方向，為高安全鋰基電池的開發(fā)提供了理論參考與技術(shù)思路。

該成果以 “Molecular Engineering of Flame Retardant Material for Safe Lithium-Based Battery” 為題發(fā)表在 “Small” 期刊，第一作者是Hu Xiaoying。

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