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安全性是锂离子电池（LIBs）在电动汽车和储能领域大规模应用的首要问题。尽管已有多种机制被提出用于解释热失控（TR）现象，并实施了多种缓解方法，但电池爆炸事件仍时有发生，这主要源于对热失控机制的理解不足。
2025年8月14日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇/李宝华、香港城市大学陈国华院士团队合作在Advanced Materials期刊发表题为“Thermite Reaction-Induced Thermal Runaway of Lithium-Ion Batteries”的研究论文，清华深研院/港城大Liu Yuanming、清华深研院Tian Yao为论文共同第一作者，李宝华、康飞宇、美国阿贡国家实验室Khalil Amine、陈国华院士为论文共同通讯作者。
该研究通过结合多种先进分析技术与综合分析，发现LIBs中通常用作阴极集流体的铝（Al）箔能够与某些阴极活性材料发生反应形成铝热剂。这些铝热反应会释放大量热量，导致LIBs爆炸，而这一机制长期以来被忽视。基于这些发现，研究人员提出在Al箔表面涂覆碳可部分抑制铝热反应，显著提升LIBs的热稳定性。该研究为LIBs的热失控机制提供了新的见解，并为开发更安全的电池提供了重要指导。
锂离子电池（LIBs）自上世纪末首次问世以来，已为现代社会和日常生活带来了革命性变革。目前，基于富镍（Ni）层状氧化物阴极和石墨阳极的LIB单体电池能量密度已达到300 Wh kg⁻¹，而下一代锂金属电池的能量密度正接近500 Wh kg⁻¹。然而，这些技术伴随的不可预测的安全隐患阻碍了其大规模应用。针对LIBs的安全问题，已提出多种解决方法，例如采用先进的电解质体系、电纺聚酰亚胺-Al₂O₃隔膜、在LIBs表面涂覆气凝胶片、可压缩泡沫、温度响应型热调节器，或将LIBs封装于水冷外壳中，以及优化电池极耳等。然而，由于对电池热失控的理解不足，缓解热失控的方法实施效果有限，导致电池爆炸事故仍屡见报道。
电池热失控会导致烟雾、火灾甚至爆炸，尤其是高荷电状态（SoC）下的电池，其脱锂阴极不稳定，会释放大量活性氧。通常，采用橄榄石型阴极（如LiFePO₄（LFP））的LIBs安全性优于层状氧化物阴极的LIBs，即使其他部分完全相同。这主要源于层状氧化物阴极较差的热稳定性。例如，LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂（NMC）阴极在温度略高于150 °C时即可释放大量活性氧。活性氧会与电解质反应产热，这一现象被广泛推测为LIBs热失控的原因。但计算表明，商用电解质完全燃烧的有效热量约为13 kJ g⁻¹，仅能将LIBs的温度提升至约1300 °C。然而，电解质燃烧释放的热量仅能使电池温度升高约455 °C（1300 °C × 燃烧程度），对应100% SoC的NMC电池在热失控过程中燃烧程度不足35%。此外，研究发现，SoC较低的电池电解质会释放更多热量，且燃烧程度更高，这与直观预期相反——即更高SoC的电池应释放更多能量，导致热失控过程中温度升高更显著。这些矛盾表明，可能存在未被考虑的因素（如层状氧化物阴极与Al箔之间的铝热反应）在贡献热量。
自20世纪初铝热反应这一概念被提出以来，其已在冶金、铁路轨道焊接、自蔓延高温合成、放射性废物储存及军事武器等诸多领域得到广泛应用。典型的铝热反应可用以下方程式表示：M + AO → MO + A + ΔH；其中M为还原剂，AO为氧化剂，MO是M的氧化物，ΔH为反应生成的热量。在该反应中，M对应铝（Al）、钛（Ti）、锆（Zr）等金属材料，而A既可以是金属也可以是非金属材料。铝热反应的主要特征是释放大量热量，这些热量主要来源于金属材料的氧化反应。例如，Al₂O₃的标准生成焓为-1675.7 kJ mol⁻¹（即-62.1 kJ g⁻¹），几乎是电解质完全燃烧所释放热量的5倍。该热量可使反应产物的温度升至3000 °C以上。目前已报道的铝热剂包括NiO与Al的混合物、Co₃O₄/Al双层复合材料、NiCo₂O₄/Al核壳纳米线以及MnO₂/Al复合材料等。这些铝热剂在使用Al箔和层状氧化物阴极（如LiNiₓMnᵧCozO₂、LiNiₓCoᵧAlzO₂和LiCoO₂）的LIBs热失控（TR）过程中具有极高的发生潜力。LFP电池过充时，阴极降解生成的Fe₂O₃会与Al箔发生热铝反应。另有研究报道，LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂阴极与Al箔在1000-1200 °C超高温下的反应会释放大量热量。但通过合理的反应物设计，铝热反应的起始温度可降至约500 °C。固态电池中锂金属与LFP阴极接触时也会发生铝热反应。尽管已有研究通过热力学计算初步推测了铝热反应在锂离子电池热失控中的潜在作用，并采用石墨烯箔进行缓解，但铝热反应是否会在商用LIB电池的热失控过程中发生，以及其对热失控过程的影响程度仍不明确。该研究指出，这一认知对构建更安全的LIBs至关重要。
该研究通过先进表征技术，证实了采用LiFePO₄（LFP）和富镍阴极的商用LIBs在常规热失控过程中会发生铝热反应。结果表明，高SoC电池会促进热失控过程中铝热反应的发生。由于富镍阴极会释放活性氧，采用该阴极的LIBs其铝热反应程度高于LFP基电池。最终研究人员验证，在Al箔表面涂覆碳可有效抑制铝热反应的发生，从而为电池管理争取更多时间以避免爆炸。
总之，该研究通过多种技术手段发现当前商用锂离子电池存在铝热反应诱导的热失控现象。无论阴极类型如何，高荷电状态（SoC）的电池在热失控过程中发生铝热反应的概率均较高。然而，层状氧化物阴极由于热稳定性较差，会释放活性氧促进Al箔氧化，因而更易发生铝热反应。通过用碳涂覆Al箔替代普通Al箔，可有效提升锂离子电池的安全性，尽管热失控过程中的铝热反应无法完全消除。为实现本征安全的电池，未来研究需抑制或消除铝热反应，从而使热失控处于可控范围内。 |
