随着电动汽车与储能产业的飞速发展，市场对锂离子电池能量密度的需求持续攀升。在众多正极材料中，高镍层状材料（LiNixCoyMnzO2, x≥0.6，简称NR-NCM）因其高比容量、良好倍率性能和较低成本，成为当前商业化的主流选择。然而，伴随能量密度提升而来的严重安全隐患——特别是热失控（TR）风险，成为制约其大规模应用的关键瓶颈。
青岛能源所固态能源系统技术中心长期致力于高比能、高安全电池体系的设计，前期通过表征设备及研究方法的创新，系统阐述了电池热失控过程中负极界面产气及气体串扰行为，揭示了负极产氢及其穿梭反应对电池放热反应的影响机制。
在电池热失控过程中，除了负极，高镍正极对电池热失控也具有重要影响。前期研究表明，热失控过程中，正极引发的放热链式反应主要通过两条路径：一是体相结构失稳与氧释放：高温下高镍材料易发生相变（层状→尖晶石→岩盐相），晶格氧析出并与电解液、负极反应，引发剧烈放热；二是表界面副反应加剧：高电压态下高活性过渡金属与电解液反应，锂脱嵌导致的晶格应变会诱发微裂纹，加速副反应。为了提升电池安全性，究竟该优先优化材料体相结构稳定性，还是抑制界面副反应，这一相互交织的难题亟待破解。
近期，固态能源技术中心通过系统对比不同镍含量（Ni60, Ni80, Ni90）电池在循环老化前后的热失控行为，并结合多种原位-非原位测试手段，通过材料-界面-电池多尺度表征技术，定量分析热失控不同阶段的界面反应及正极材料相变释氧主导作用，揭示了在高镍电池（≥80%）体系中，热失控主要由正极/电解液界面放热反应主导，而非传统认为的氧释放；而在中低镍电池中，晶格氧释放及后续反应才是热失控的关键驱动因素。
进一步，研究团队深入探讨了高镍体系中界面反应引发的热失效机制，通过原子层面的实验表征结合仿真模拟，揭示了正极/电解液界面的恶性循环路径：材料各向异性体积变化与H2-H3相变诱发裂纹→加速电解液渗透→副反应产气→气体压力助推裂纹扩展→进一步加剧反应。这种自加速的“反应-产气-开裂”恶性循环，最终导致不可控的级联热失控。
该研究首次建立起微观结构失效与宏观热失控行为的定量关联，为高镍电池安全设计指明方向：对于超高镍体系，需重点阻断界面反应链（如强化界面包覆、开发耐氧化电解液）；为对于中低镍体系，应着力提升体相结构稳定性（如梯度掺杂、单晶化）。这项发现打破了“体相优先”的传统思维定式，为破解高镍电池安全困境提供了理论基础，有望推动新一代动力电池在能量密度与安全性双重指标上实现跃升。目前，研究团队正在开展基于该原理的工程化应用验证。
上述研究成果近期发表于Energy & Environmental Science期刊，固态能源系统技术中心硕士研究生姜兆轩及刘成奥为论文的共同第一作者，崔光磊研究员、许高洁副研究员、黄浪副研究员为共同通讯作者。（文/图 黄浪）
原文链接：https://doi.org/10.1039/d5ee01431j
Jiang, Z.#, Liu, C.#, Huang, L.*, Zhu, S., Zhang, X., Wu, R., Gong, T., Wu, Y., Guo, L., Han, P., Ma, J., Xu, G.*, & Cui, G*. (2025). Interfacial reactions take the lead: Elucidating the dominant role of cathode–electrolyte interactions in triggering thermal runaway of high-nickel lithium-ion batteries. Energy & Environmental Science.
