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随着电动汽车、高端电子设备对续航要求的不断提升，锂金属电池因其极高的能量密度被视为下一代储能技术的前景。然而，其商业化道路一直受到安全担忧的阻碍。锂金属电池为何更危险？其热失控的根源究竟在哪里？

近日，发表在Cell Reports Physical Science上的一项研究为我们带来了关键思路。德国明斯特大学的研究团队利用 THT 的 ES ARC 绝热加速量热仪（ARC）等热分析技术，进行了一项全面的锂金属电池安全性研究，指出锂金属的沉积形态，是决定热安全性的最关键因素。这项研究不仅为锂金属电池的设计指明了方向，也凸显了 ARC 在电池研发中不可或缺的“安全哨兵”角色。

为了模拟最严苛的滥用条件，研究人员将锂金属软包电池以及不同厚度的锂金属电极电解液混合物，分组置于 ES ARC 中进行绝热分析。

ES ARC 的核心优势在于它能为电池提供稳定绝热环境，保证电池自身反应产生的所有热量都不会向外散失，从而可以精准追踪电池从自加热到最终热失控的完整过程，并获得Tonset、热失控起始温度、自加热速率等关键安全参数。

图1 锂金属软包电池HWS热失控测试示意图

通过分析这些数据，研究人员可以获得自加热起始温度、热失控触发温度、最大温升速率等关键参数，这些参数如同锂电池热安全的 “指纹” ，为电池设计和使用提供了至关重要的安全边界参考。

新制备的（pristine）锂金属电池自发热在180℃以后，然而电池经过充放电老化循环后，情况急转直下,循环后的电池在30°C左右就开始出现明显的自产热，并在80-90°C的低温下就触发了热失控，导致电池猛烈变形、破裂。

这一温度远低于传统锂离子电池的热失控触发点，甚至接近电池的正常工作温度，安全风险极高。

随后团队又进行了不同厚度锂金属阳极的原始锂金属软包电池以及锂金属阳极与电解液组分混合物的绝热量热测试，数据如下所示：

图2 针对原始20与100 um锂金属软包电池的热失控研究——基于起始温度30℃和50℃测试下温度变化曲线；锂熔化过程细节数据；放热自生热速率曲线。

图3 不同厚度锂金属阳极的原始锂金属软包电池以及锂金属阳极与电解液组分混合物的热数据对比

图4 不同厚度锂金属阳极的原始锂金属软包电池循环老化后的温升速率/温度曲线

研究发现，对于新制备的（pristine）锂金属电池，其发热主要始于锂金属熔化（约180°C）之后。熔化的锂暴露出新鲜、高活性的表面，与电解质发生剧烈放热反应。此时，ARC数据显示电池虽剧烈发热，但并未立即进入热失控。

减少电池中锂金属的用量（即使用更薄的锂箔）是否能提升安全性？研究团队系统对比了锂厚度为0μm（零过量锂）、20μm、50μm和100μm的锂金属电池以及锂金属负极和电解液组分混合物的绝热量热结果。

图5 激光扫描显微镜与冷冻聚焦离子束-扫描电镜锂金属负极截面成像

结果表明对于新电池，减少锂用量确实能降低总放热量，有益安全。但在循环老化后，只要电池初始存在锂金属（20-100μm），其热失控行为几乎没有差异。它们都在低温下剧烈失控。根本原因在于，循环后所有电池的负极上都形成了大量高表面积锂（HSAL），也就是多孔、苔藓状的锂枝晶（如图5）。这些HSAL具有极高的化学反应活性，是真正的“火药桶”。

而唯一例外的是零过量锂电池（ZELMB）。由于可循环的锂总量有限，其形成的HSAL量较少，ARC 测试中它甚至没有发生热失控。但这主要是因为它“火药”少，而非更安全。这项发现颠覆了“单纯减少锂用量就能保障安全”的简单认知，指出控制锂沉积形态、抑制枝晶生长才是安全设计的核心。

ES ARC 绝热加速量热仪

EV+ ARC 绝热加速量热仪