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【导语】出品：锂电池安全作者：李瑞（半导体工程师）监制：中国科普博览电动汽车起火、手机电池和充电宝爆炸等安全隐患，多源于锂电池热失控。近日，中国科学院化学研究所团队开发出“智能气体管理”技术，通过构建“阻燃界面”，在热失控早期主动抑制可燃气体和氧气生成，大幅降低爆炸风险。实验显示，新技术使极端情况下可燃气体生成量减少63%，氧气释放量降低49%，且与现有工艺高度兼容，为更安全的电动时代带来新希望。

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作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览

电动汽车起火的新闻时有耳闻，手机电池和充电宝爆炸的事故也偶有发生。这些令人担忧的安全隐患，都指向同一个问题——锂电池的热失控。当锂电池内部温度异常升高时，可能引发连锁反应，导致起火甚至爆炸。如何让高能量密度的锂电池变得更安全，一直是科学家们努力攻克的难题。

最近，中国科学院化学研究所的研究团队传来好消息：他们成功开发出一种“智能气体管理”技术，就像给电池装上了内置的“灭火器”，能在危险发生之前主动出击，将火灾扼杀在摇篮里。这项研究，被国际科技媒体《新科学家》（New Scientist）专题报道，引起了全球科学界的广泛关注。

锂电池为什么会“发火”？

要理解这项技术的创新之处，我们先要了解锂电池“发火”的原因。

锂金属电池虽然能量密度高，可突破500 Wh/kg（瓦时每千克），是未来电动汽车和储能电站的理想选择，但它也面临着严峻的安全挑战。当电池温度升高到200摄氏度时，正极材料会分解并释放氧气。与此同时，金属锂负极与电解液反应，产生氢气、甲烷等可燃气体。想象一下，在电池这个密闭的“小房间”里，氧气和可燃气体相遇，就像火上浇油，极易引发剧烈反应，导致电池热失(shī)控(kòng)甚(shén)至(zhì)爆(bào)炸(zhà)。

更(gèng)糟(zāo)糕(gāo)的(de)是(shì)，这(zhè)些(xiē)气(qì)体(tǐ)的(de)积(jī)聚(jù)会(huì)造(zào)成(chéng)电(diàn)池(chí)内(nèi)部(bù)压(yā)力(lì)急(jí)剧(jù)升(shēng)高(gāo)，最(zuì)终(zhōng)导(dǎo)致(zhì)电(diàn)池(chí)外(wài)壳(ké)破(pò)裂(liè)。一(yī)旦(dàn)破(pò)裂(liè)，内(nèi)部(bù)的(de)高(gāo)温(wēn)气(qì)体(tǐ)与(yǔ)空(kōng)气(qì)接(jiē)触(chù)，同(tóng)样(yàng)会(huì)发(fā)生(shēng)剧(jù)烈(liè)燃(rán)烧(shāo)，温(wēn)度(dù)可(kě)高(gāo)达(dá)1000摄(shè)氏(shì)度(dù)以(yǐ)上(shàng)。

皇(huáng)家(jiā)化(huà)学(xué)会(huì)在(zài)牛(niú)津(jīn)大(dà)学(xué)设(shè)置(zhì)的(de)蓝(lán)色(sè)牌(pái)匾(biǎn)，纪(jì)念(niàn)古(gǔ)迪(dí)纳(nà)夫(fu)等(děng)人(rén)在(zài)此(cǐ)发(fā)现(xiàn)锂(lǐ)离(lí)子(zi)电(diàn)池(chí)的(de)正(zhèng)极(jí)材(cái)质(zhì)钴(gǔ)酸(suān)锂(lǐ)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：维(wéi)基(jī)百(bǎi)科(kē) Kastrel）

巧(qiǎo)妙(miào)的(de)“阻(zǔ)燃(rán)界(jiè)面(miàn)”设(shè)计(jì)

面(miàn)对(duì)这(zhè)一(yī)挑(tiāo)战(zhàn)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)化(huà)学(xué)研(yán)究(jiū)所(suǒ)的(de)白(bái)春(chūn)礼(lǐ)院(yuàn)士(shì)、郭(guō)玉(yù)国(guó)研(yán)究(jiū)员(yuán)和(hé)张(zhāng)莹(yíng)副(fù)研(yán)究(jiū)员(yuán)团(tuán)队(duì)，提(tí)出(chū)了(le)一(yī)个(gè)巧(qiǎo)妙(miào)的(de)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)——在(zài)电(diàn)池(chí)正(zhèng)极(jí)内(nèi)部(bù)构(gòu)建(jiàn)“阻(zǔ)燃(rán)界(jiè)面(miàn)”（FRI）。

这(zhè)个(gè)设(shè)计(jì)的(de)精(jīng)妙(miào)之(zhī)处(chù)在(zài)于(yú)它(tā)的(de)“智(zhì)能(néng)响(xiǎng)应(yīng)”机(jī)制(zhì)。研究(jiū)人(rén)员(yuán)在正极材料中加入了一种特殊的含磷聚合物。平时，这种聚合物安静地待在正极里，不影响电池的正常工作。但当电池温度升高到100摄氏度时（这是热失控的早期阶段），聚合物就会自动分解，释放出含磷自由基。

这些自由基就像训练有素的“消防员”，迅速扑向“火源”：它们能够“捕获”电解液热分解产生的活性基团（如H·、CH·等），阻止可燃气体的生成。还可以同时抑制正极释放氧气，从源头切断“助燃剂”的供应。

实验数据显示，采用这种技术后，锂电池工作在极端情况时可燃气体的生成量减少了63%，氧气释放量降低了49%。这就像同时关闭了“燃料阀”和“氧气阀”，让爆炸失去了必要条件。

智(zhì)能(néng)气(qì)体管理策略工作机制示意图

（图片来源：参考文献[1])

光有理论还不够，实际效果是关键

研究团队制作了0.6 Ah（安时）的锂金属软包电池进行测试，结果令人振奋。

在热滥用（指电池暴露在异常高温环境下的情况）测试中，普通电池的热失控峰值温度高达1038摄氏度，升温速率达到惊人的每分钟4万摄氏度。这种爆炸式的温升，几乎在瞬间就会引发灾难性后果。

而采用新技术的电池表现如何呢？热失控峰值温度仅为220摄氏度，升温速率更是降低了40000倍！更重要的是，电池没有发生爆炸，只是轻微鼓胀。这种温和的失效模式，给了人们足够的时间采取应急措施。

气体分析的结果同样令人印象深刻。在普通电池产生的气体中，可燃气体占比高达62%，而新技术电池中这一比例降至19%。取而代之的是相对安全的(de)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)，其(qí)占(zhàn)比(bǐ)从(cóng)38%提(tí)升(shēng)到(dào)61%。这(zhè)种(zhǒng)气(qì)体(tǐ)成(chéng)分(fēn)的(de)改(gǎi)变(biàn)，大(dà)大(dà)降(jiàng)低(dī)了(le)爆(bào)炸(zhà)风(fēng)险(xiǎn)。

多(duō)重(zhòng)防(fáng)护(hù)的(de)“智(zhì)能(néng)”特(tè)性(xìng)

这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)最(zuì)令(lìng)人(rén)称(chēng)道(dào)的(de)是(shì)它(tā)的(de)“智(zhì)能(néng)”特(tè)性(xìng)。它(tā)不(bù)是简单地添加阻燃剂，而是构建了一个能够主动响应温度变化的防护系统。

当电池正常工作时，阻燃聚合物安分守己，不影响电池性能。只有当检测到异常升温时，它才会“苏醒“并采取行动。这种“按需激活”的特性，既保证了安全性，又不牺牲电池的电化学性能(néng)。

实(shí)验(yàn)证(zhèng)明(míng)，采用(yòng)新(xīn)技(jì)术(shù)的(de)电(diàn)池(chí)在(zài)200次(cì)循(xún)环(huán)后(hòu)仍(réng)能(néng)保(bǎo)持(chí)80%的(de)容(róng)量(liàng)，表(biǎo)现(xiàn)出良好的循环(huán)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)，安(ān)全性(xìng)的(de)提(tí)升(shēng)并(bìng)没(méi)有(yǒu)以(yǐ)牺(xī)牲(shēng)性(xìng)能(néng)为(wèi)代(dài)价(jià)。

更广阔的应用前景

这项技术的意义不仅在于提高了锂金属电池的安全性。研究团队还将其应用于其他类型的电池系统，包括锂硫电池，都取得了良好的效果。

更重要的是，这种方法与现有的电池生产工艺高度兼容。制造商只需要在正极浆料中加入特定的前驱体，经过紫外光固化就能(néng)形(xíng)成(chéng)阻(zǔ)燃(rán)界(jiè)面(miàn)，无(wú)需(xū)对(duì)生(shēng)产(chǎn)线(xiàn)进(jìn)行(xíng)大(dà)规(guī)模(mó)改(gǎi)造(zào)。这(zhè)大(dà)大(dà)降(jiàng)低(dī)了(le)技(jì)术(shù)推(tuī)广(guǎng)的(de)门(mén)槛(kǎn)。

在(zài)钉(dīng)刺(cì)测(cè)试(shì)中(zhōng)，采用(yòng)新(xīn)技(jì)术(shù)的(de)电(diàn)池(chí)表(biǎo)面(miàn)温(wēn)度(dù)维(wéi)持(chí)在(zài)32摄(shè)氏(shì)度(dù)以(yǐ)下；在过充测试中，即使充电到4.8 V（伏特），电池也没有出现明显的温度上升。这些极端条件下的优异表现，充分证明了技术的可靠性。

从“被动防护”到“主动管理”

传统的电池安全策略往往是“被动防护”——通过外部的保护电路、冷却系统等来应对危险。而这项新技术实现了从“被动”到“主动”的转变，让电池具备了自我保护的能力。

这种智能气体管理策略的核心在于：首先源头控制，减少危险气体的产生。其次成分调控，改变气体组成，降低可燃性。最后压力缓解，避免因气体积聚导致的机械破裂。三管齐(qí)下，构建了一个立体的安全防护网络。

这项研究告诉我们，解决复杂的工程问题，有时需要跳出传统思维。与其在电池起火后想办法灭火，不如从根本上防止起火的发生。这种“防患于未然”的思路，体现了科学研究的智慧。同时，这项技术的成功也展示了跨学科合作的重要性——它融合了材料科学、电化学、热力学等多个领域的知识，是典型的交叉创新成果。

展望未来：更安全的电动时代

随着电动汽车的普及和储能需求的增长，电池安全问题只会变得更加重要。这项“智能气体管理”技术的出现，为解决这一难题提供了新的思路和方法。

虽然从实验室到大规模商业应用还需要时间，但这项技术已经展现出巨大的潜力。它不仅能让电动汽车更安全，也能让我们日常使用的各种电子设备更加可靠。

当“里程焦虑”逐渐被“充电焦虑”取代时，“安全焦虑”可能成为阻碍电动汽车普及的最后一道坎。中国科学家的这项创新，正在为跨越这道坎铺平道路。

在不久的将来，当我们驾驶电动汽车出行，或是使用各种便携式电子设备时，可以更加安心——因为有“内置灭火器”在默默守护着我们的安全。科技的进步，就是这样悄无声息地改变着我们的生活，让美好的未来一步步成为现实。

电动车的底盘实体剖面，露出其中的电池。

（图片来源：维基百科 Tennen-Gas）

参考文献：

[1]Guo J-C, et al. “A fire-safe Li metal battery via smart gas management.” Proceedings of the National Academy of Sciences 122.29 (2025): e2501549122.