隨著高能量密度鋰離子電池在在可擕式電子設備及電動汽車領域的高速發展，安全問題成為電池發展的最重要考慮因素之一，現時大量研究都集中於正極，而對於高活性的鋰化陽極的熱降解途徑和減緩方法尚未清晰。石墨作為鋰離子電池最主要的陽極，其鋰化後的熱穩定性，固態電解質膜（SEI）穩定性及釋放氣體等問題尚未明確。
美國阿貢國家實驗室Khalil Amine等人聯手清華大學歐陽明高院士團隊利用了原位同步X射線科技和原位質譜分析，對固態電解質介面（SEI）分解，鋰浸出以及鋰化石墨陽極在加熱過程中的氣體釋放問題做出分析，揭示了SEI膜對負極熱穩定性的關鍵性作用並揭露了可燃性氣體及析出鋰的安全隱患。相關論文以題為“In situ observation of thermal-driven degradation and safety concerns of lithiated graphite anode”發表在Nature Communications。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24404-1
鋰化石墨的熱穩定性一直廣受爭議，不少研究人員認為它會與正極釋放的氧氣甚至是不可燃電解液反應從而觸發災難性的電池失控，然而至今仍然缺乏直接證據。SEI作為可充電鋰離子電池最重要的但最難懂的部分，其降解過程也從未被直接探測。氣體膨脹也是鋰離子電池最常見的問題之一，其中很大一部分為可燃性氣體H2，然而其來源尚未可知。本文採用了原位同步X射線科技和原位質譜分析，來追跡了鋰化石墨加熱時的相變過程，並對SEI分解及一系列反應的氣體釋放進行定量的質樸分析。研究結果表面，從室溫升溫到280°C的過程中，SEI中的據氧化乙烯（PEO）低聚物在40-60°C開始分解，接下來的升溫過程中，發現由鋰浸出引發的石墨脫層效應。整個過程中產生的氣體也做出了定量分析，並發現在高溫條件下石墨表面還存在高活性的殘餘鋰。本項研究對SEI分解，鋰浸出以及鋰化石墨陽極在加熱過程中的氣體釋放問題做出分析並強調了SEI膜對負極熱穩定性的關鍵性作用並揭示了可燃性氣體及析出鋰的安全隱患。具體實驗結果數據如下圖：
圖1鋰化石墨在加熱過程中的結構演變a.原位實驗裝置示意圖b.鋰化石墨陽極以2°C/min從25°C加熱到280°C期間的變化圖c.聚環氧乙烷（PEO）低聚物晶格膨脹在25到40°C之間，熱膨脹係數（CTE）為167×10 -6 °C，然後在40–60°C期間PEO降解
圖2加熱過程中LiF和Li2O的形成。a加熱前，b加熱至280°C後鋰化陽極的Rietveld精修c通過LiF（111）和（200）布拉格反射追跡LiF的形成，d通過Li2O（111）和（220）的布拉格反射追跡Li2O的形成。
圖3.鋰化石墨陽極在加熱過程中的原位氣體釋放。
圖4：鋰化石墨陽極的後分析和原位PDF。
圖5：鋰化石墨負極的熱降解途徑及其安全隱患。
圖6：鋰化石墨與電解質在加熱過程中的結構演變。
本文對鋰化石墨熱降解中的相變過程，氣體產生以及殘餘鋰的安全危害都做出了闡述，強調了堅固的SEI的重要性，並揭露了可燃性氫氣的來源。結果表明最初的H2由SEI分解以及Li與SEI膜成分反應產生，170°C後，Li與PVDF反應釋放H2，由此證明粘合劑的選擇對减少可燃性氣體的危害至關重要。本文首次發現石墨陽極上的殘餘鋰對電池的安全性問題十分重要。這樣的結果促進對殘餘鋰成核過程的動力學調整和減緩科技的進一步研究，如利用表面塗層和結構設計來控制其反應性。這項研究所揭示的陽極熱降解機理將激發更多研究者們攜手努力，共同實現具有合理設計的安全儲能系統（文：珞小米）
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