锂离子电池热失控气体吸附机制与CuO-InSe单层材料健康状态监测新策略

本研究针对锂离子电池(LIBs)热失控释放CO、C2H2、C2H4等易燃气体的安全隐患，通过密度泛函理论(DFT)揭示了CuO修饰InSe单层材料的吸附特性。研究发现CuO使材料带隙(Eg)从1.938 eV降至0.831 eV，对CO吸附能力提升130.1%，为构建电池早期预警系统提供理论依据。

　　

随着电动汽车和储能系统的普及，锂离子电池(LIBs)的安全问题日益凸显。当电池发生热失控时，会像"高压锅爆炸"般释放大量易燃气体，其中CO、C₂H₂等气体不仅是火灾诱因，更是电池内部故障的"化学指纹"。传统检测方法难以实现原子级别的精准监测，这就像试图用体温计测量细胞内的温度变化。

国家电网公司的研究人员在《Computational and Theoretical Chemistry》发表的研究，创新性地将密度泛函理论(DFT)应用于电池安全领域。他们设计了一种"分子级气体陷阱"——在InSe单层材料上装饰CuO纳米颗粒，通过计算吸附距离(d)、结合能(E_b)等参数，发现这种材料能像"分子磁铁"一样捕获危险气体。特别令人振奋的是，材料对CO的吸附能力提升超过130%，相当于给电池装上了"纳米级烟雾报警器"。

研究采用三大关键技术：1)基于Materials Studio平台的dmol3模块进行第一性原理计算；2)构建4×4×1超胞模型并设置20?真空层消除界面效应；3)通过广义梯度近似(GGA)处理电子交换关联能。

【计算结果揭示三大发现】

1. 结构优化显示：CuO修饰使InSe带隙(E_g)从1.938 eV降至0.831 eV，这相当于将材料的"电子闸门"拓宽了57%，大幅提升电子灵敏度。
2. 吸附性能突破：CuO-InSe对C₂H₄的吸附能(E_ads)达-1.31 eV，电荷转移(ΔQ)为0.213 e，静电分布(ED)显示电荷在吸附界面形成"电子桥"。
3. 选择性吸附机制：密度态(DOS)分析表明CO₂在CuO位点产生显著电子态重叠，而其他气体主要作用于InSe基底，这种"双位点识别"特性赋予材料独特的选择性。

【结论与展望】
该研究建立了P_gas与E_g的定量关系模型，首次实现通过材料电信号变化预测电池健康状态。Hanfei Wang等学者证实CuO-InSe在室温下对CO的恢复时间仅3.24秒，这种"呼吸式"吸附特性使其具备实际应用潜力。这项工作不仅为电池安全预警提供了原子尺度的解决方案，更开创了将二维材料应用于储能系统智能监测的新范式。未来通过调控过渡金属修饰策略，有望开发出覆盖全生命周期监测的"智能电池皮肤"。