随着电动汽车与储能电站的快速发展，锂金属电池虽有望突破500Wh/kg的能量密度极限，却面临严峻安全挑战。高镍正极在200℃时即分解释放氧气，金属锂负极与电解液反应生成氢气、甲烷等可燃气体，正负极气体在密闭空间相遇易触发剧烈反应（如锂氧反应放热高达1197kJ/mol），最终导致电池热失控甚至爆炸。因此，开发兼顾高能量与高安全的电池技术成为行业的迫切需求。

在国家自然科学基金委、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的支持下，化学所分子纳米结构与纳米技术实验室白春礼研究员、郭玉国研究员、张莹副研究员，基于前期在电池热安全机制（Sci. Adv. 2023,9(5):eade5802）和聚合物电解质设计（Adv. Energy Mater. 2020,10 (3),1903325）的研究积累，创新提出"阻燃界面用于智能气体管理"的设计策略。该团队在正极内部构建阻燃界面（FRI），通过温度响应机制实现双重防护：当电芯温度升至100℃时，FRIs释放含磷自由基并迁移至负极表面，猝灭电解液热解产生的H·、CH·等活性基团，使可燃气体生成量下降 63%；同时抑制正极49%的氧气释放，从源头切断爆炸反应链。在热滥用测试中，首次实现0.6Ah锂金属软包电芯零爆炸。

在0.6 Ah锂金属软包电芯（匹配高镍正极）的热安全测试中，该策略展现出突破性防护效果：热失控峰值温度从1038℃降至220℃，升温速率降低40000倍（从43300℃/min降低至1.1℃/min），实现电芯零热失控。通过气相色谱-质谱分析证实，电芯内部整体产气量减少63%，其中可燃气体占比从62%降至19%，显著缓解电池内部压力积聚，并大幅降低电池爆炸风险。这些研究结果为开发高比能、高安全的电池技术提供了新思路。

相关成果以《A Fire-Safe Li Metal Battery via Smart Gas Management》为题发表于《PNAS》（doi.org/10.1073/pnas.2501549122），并被《New Scientist》报道。美国 SLAC 国家加速器实验室斯坦福电池研究中心执行主任 Jagjit Nanda 教授评价：“这一创新策略不仅显著降低了锂金属电池的起火风险，还可拓展至锂离子和锂硫体系。”文章第一作者为博士后郭俊辰、博士生柴聪正，通讯作者为张莹副研究员、郭玉国研究员、白春礼研究员。

正极阻燃界面抑制电池热失控产气实现高安全锂金属电池

使用中心设备1: 时间分辨拉曼光谱仪

参与者：张振

使用中心设备2: ToF-SIMS

参与者：赵耀

核心贡献：通过ToF-SIMS化学成像和深度剖析技术证实了阻燃聚合物（FRP）在NCM811正极颗粒中的三维分布特征，为理解智能气体管理策略的作用机制提供了重要的空间化学证据

分子纳米结构与纳米技术实验室

2025年7月25日