NCM811/Gr–SiO与NCM811/Li电池热稳定性对比研究：基于差示扫描量热法的热失控机制解析

【编辑推荐】为解决锂金属电池(LMBs)因锂枝晶和放热反应引发的热失控(TR)安全问题，研究人员通过差示扫描量热法(DSC)对比分析了NCM811/Gr–SiO与NCM811/Li全电池的热稳定性。研究发现Gr–SiO负极在110°C附近显著抑制了锂/碳酸酯电解质的放热反应，其热失控起始温度高于锂金属电池，为高能量密度电池的安全设计提供了新见解。

　　

随着电动汽车对高能量密度电池需求的激增，锂金属负极因其3860 mAh g^?1
的理论容量成为研究热点，但其高反应性和锂枝晶引发的热失控(TR)风险制约了实际应用。相比之下，石墨-硅氧化物(Gr–SiO)负极在容量(高于石墨的370 mAh g^?1
)和安全性之间取得了平衡，但其与高镍正极LiNi_0.8
Co_0.1
Mn_0.1
O₂
(NCM811)组合的热行为尚不明确。

为系统评估两类电池的热稳定性差异，研究人员采用差示扫描量热法(DSC)和加速量热法(ARC)对NCM811/Gr–SiO和NCM811/Li全电池进行了对比研究。通过扫描电镜(SEM)观察发现，完全充电的锂金属负极表面形貌变化显著，暗示其反应活性增加。DSC数据显示，110°C附近的放热峰（主要源于锂与碳酸酯电解质的反应）在Gr–SiO电池中被明显抑制，且热失控起始温度较锂金属电池提高。这些结果揭示了Gr–SiO在提升电池热安全性方面的优势。

关键技术方法
研究采用三电极体系制备NCM811/Gr–SiO和NCM811/Li软包电池，电解液为1.2 mol dm^?3
LiPF₆
的碳酸酯混合溶剂。通过DSC在不同升温速率(2–20°C min^?1
)下检测放热行为，结合ARC测定热失控起始温度，并利用SEM表征电极形貌演变。

研究结果

1. 电化学性能：NCM811/Gr–SiO电池在3.1–3.5V电压区间的充放电曲线斜率更平缓，反映负极材料差异对电化学特性的影响。
2. 热分解动力学：DSC放热峰温度随升温速率增加而升高，符合热分解动力学规律，验证了数据可靠性。
3. 热稳定性对比：NCM811/Gr–SiO电池在110°C附近的放热量较锂金属电池降低35%，ARC证实其热失控起始温度更高。

结论与意义
该研究首次通过全电池DSC分析揭示了Gr–SiO负极对热失控反应的抑制作用，其机制包括：①减少锂/电解质放热反应；②延缓热失控链式反应。这一发现为开发能量密度>400 Wh kg^?1
且安全性更高的电池体系提供了理论依据，推动锂金属替代材料的设计优化。论文发表于《Journal of Energy Storage》，为电池热安全管理提供了新范式。