【Nature正刊】下一代电池安全的关键挑战！

推荐理由

• 全局视角：横跨 Na/K/S/固态等新体系，提出统一安全框架。

• 实验数据：对比 LIB 与 SSB 的热失控速率、气体排放、温度窗口。

• 实用导向：强调 OEM、标准制定者、消防员等不同角色的应对策略。

论文题目：Addressing the safety of next-generation batteries
作者：Chuanbo Yang, Avtar Singh, Xiaofei Pu, Donal Finegan 等
机构：美国国家可再生能源实验室 (NREL)、德州大学奥斯汀分校 等
期刊：Nature, 2025
DOI：10.1038/s41586-025-09358-4

• 更活泼的负极：K/Na 熔点低、反应性高，更易热失控。

• 电解质差异：硫化物固态电解质遇湿气会产生有毒 H₂S。

• 气体排放更毒：Prussian Blue 阴极热失控时释放 HCN，10 ppm 就可致命。

• 反应速率更快：LLZO 固态电解质热失控反应速率比液态快 10 倍。

图1 全面安全测试矩阵：从材料到电池包

1. 热失控特性

• LIB：HF >130 ppm

• Na/K/S 电池：HCN/H₂S 等剧毒气体

• 固态电池：总热量低，但速率更快

图2 热失控阶段对比：LIB vs SSB

2. 操作历史影响

• 快充导致 Li 枝晶 → 降低热失控起始温度

• 循环老化使隔膜变脆 → 更易短路

• Li–S 电池多硫化物比例随循环变化 → 改变热稳定性

图3 电池老化对安全性的影响 插图展示了随着循环次数的不同，电池在耐滥用性和安全性方面的表现差异。考虑到电池成分和化学特性相同，导致不同操作历史的原因包括充电程序、温度和振动等因素。

• 机械耐滥用性(a)，例如机械完整性(定义为电池承受机械冲击而不损坏短路的能力)。

• 耐受性参数(b)，如热失控起始温度，都将受到电池运行和老化历史的影响。

• 热危害(c)，如总热释放量和热释放速率，也会受到运行历史的影响。历史依赖性的例子在参考文献32中有所描述，其中指出快速充电的电池(这增加了锂沉积的可能性)显示出较低的起始热失控温度，而运行历史较慢的电池则相反。

3. 风险缓解策略

• 材料层面：陶瓷涂层隔膜、表面包覆、氧释放抑制剂

• 结构层面：压力管理 (SSB 需1–3 MPa 堆压)、定制排气阀

• 系统层面：高精度气体监测、AI 跨尺度建模预测

表1 热失控缓解的关键策略及对应的电芯设计示例

注：表中 C1, C2, C3 表示技术成熟度分类：

• C1：可直接应用 (Directly applicable)

• C2：需适度修改后可适配 (Adaptable with modifications)

• C3：仍需基础研发 (Requiring fundamental R&D)

• SSB 在 350℃ 仍可稳定 (LPSCl + LFP)，但与 NMC 配合会在 150℃ 燃烧

• K 电池热失控放热仅 395 J/g，远低于 LIB (1048 J/g)

• Na/K 电池热失控气体毒性远超 LIB

  
  

图4 跨尺度安全评估框架

• 缺乏统一数据库：LIB 有开放热失控数据库，下一代电池几乎空白。

• 标准滞后：现行测试关注机械/热，却缺乏毒性气体/老化条件评估。

• 跨尺度建模不足：材料–电芯–模组关联尚未打通。

• 建立 开源FMEA数据库，促进跨行业协作。

• 优先评估 Na-ion 与硫化物固态电池，因其规模化最快。

• 推动 高精度气体监测 & AI建模，提升预测能力。

• 为 消防员与急救人员 制定专门防护指南。

思路启发

• 学术：跨尺度安全建模将是下一个研究热点。

• 工程：安全策略需定制化，不能照搬锂电方案。

• 产业：电池安全不仅是实验室问题，还需贯穿消防/政策/标准全链条。

点评

• 贡献：首次系统梳理下一代电池的多维度安全挑战。

• 意义：为研发、标准和一线应对提供指导。

• 不足：缺乏实车级验证，部分建议仍停留在理论。