同济大学魏学哲教授、戴海峰教授、朱建功副教授，Nano Energy观点：锂离子电池全生命周期热安全性演变机制及无损评估

第一作者：张广续

通讯作者：魏学哲*，朱建功*，戴海峰*

单位：同济大学

环境污染和能源短缺是当今世界经济发展面临的严峻挑战，能源结构向清洁低碳、智慧高效、经济安全方向的转型是应对上述挑战的关键举措。交通运输领域的电动化革命是能源革命的重要环节，其中，汽车电气化是一项重要举措。动力电池是电动汽车的心脏，是电动汽车动力的主要来源。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等特点，被广泛应用于电动汽车中。锂离子电池在服役过程中的热安全性变化对电动汽车的安全使用构成了巨大威胁。本工作探究了不同衰减路径下电池热安全性演变机制。通过多角度表征分析揭示析锂是导致电池热安全性下降的关键共性机制。但不同路径下析锂机制不同，对电池热安全性影响不同。在低温循环和高倍率循环路径下，析锂主要是由嵌锂速率受限所致，对电池热安全性影响最为严重；而在高温循环和高温搁置路径下，析锂主要由气泡阻隔、电极局部干涸、电位分布不均所致，对电池热安全性影响相对较轻。

通过多尺度热测试分析进一步阐明电池内部衰减副反应对电池热安全性作用机制，析锂和过渡金属溶解分别是致使阳极和阴极热稳定性下降的关键因素，从而导致电池自产热起始温度和热失控触发温度显著降低。进一步地，根据内部降解同步作用电池电化学特性和热安全性这一特征，构建起电池电化学特性观测指标与热安全性表征参数之间的映射关系，实现了对电池热安全性的无损评估。

近日，来自同济大学的魏学哲教授、戴海峰教授和朱建功副教授，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Evolution mechanism and non-destructive assessment of thermal safety for lithium-ion batteries during the whole lifecycle”的研究性文章。该文章分析了不同衰减路径下电池热安全性演变机制，并基于电池衰减同步作用电化学特性和热安全特性的特征，建立了电化学特性观测指标与热安全性表征参数之间的映射关系，实现了对电池热安全性的无损评估。

基于电动汽车实际运行工况，构建四种典型衰减路径，分别是：低温循环、高倍率循环、高温循环、高温搁置。在不同衰减路径下，对电池SOH衰减致不同程度的电池进行热失控测试，量化不同老化程度的电池热稳定性，进而阐明电池热安全性在不同衰减路径下的量化演变规律。

借助多角度表征测试分析手段，从电化学层面对不同衰减路径下电池衰减机制进行初步分析，进一步通过多种表征测试从电池组件的形貌、结构、组分等进行分析，揭示了析锂是不同衰减路径下电池衰减的共性机制。并通过‘材料-电极-单体’的多尺度热测试分析阐明内部衰减对电池热安全性的作用机制。

基于内部衰减同步作用电池电化学特性和热安全性特征，通过深入分析，确定电池电化学特性观测指标和热热安全性表征参量，以电池老化状态为过渡桥梁，构建起电池电化学特性和热安全特性之间的映射关系，实现了对电池热安全性的无损评估。

Evolution mechanism and non-destructive assessment of thermal safety for lithium-ion batteries during the whole lifecycle”

魏学哲教授简介：现为同济大学汽车学院教授、博士生导师。近年来作为主要研究人员参与国家电动汽车专项课题的研究，作为项目负责人主持国家科技支撑计划项目1项，国家自然科学基金重点项目1项，作为课题副组长及主要研究人员参加国家“863”课题十余项。参与电动汽车国家标准工作组研究，并作为中国专家参与国际标准的协调。目前的主要研究方向为汽车电子及新能源汽车储能电源系统。以第一或通讯作者在Nature Communications、Energy storage materials、Nano energy等学术期刊上发表论文100余篇。

戴海峰教授简介：现为同济大学教授、博士生导师，IEEE高级会员，SAE NEV技术委员会委员，中国汽标委电动车辆分标委委员，Renewable and Sustainable Energy Review等期刊编委。长期从事新能源汽车动力电池、燃料电池相关研究，在该领域先后主持国家自然科学基金重点、面上及青年项目，国家重点研发计划课题及子课题，以及各类省部级与校企委托项目。发表SCI论文60余篇，5篇入选ESI高被引，出版专著3部，连续入选Elsevier中国高被引学者。获授权国内专利40余项，申请PCT专利1项，转让4项专利。录制了面向企业用户的《电池管理与成组》网络课程，累计销售超过600份企业用户授权。主持或参编各类标准6项，成果曾先后获上海市科技进步一等奖、中国汽车工业科技进步一等奖等多项。

朱建功副教授简介：同济大学汽车学院副教授、博士生导师。德国“洪堡学者”，上海市海外高层次人才“特聘专家”，上海电动汽车工程技术研究中心副主任。研究领域：新能源汽车动力电池技术。目前主持国家自然科学基金面上项目 、青年基金项目 ，“十四五”国家科技部重点研发计划课题、子课题，德国洪堡基金及教育部“春晖计划”合作科研项目。担任Nature旗下期刊Communications Engineering编委，IEEE PES 理事，Elseiver 旗下《E-Prime》和《Green Energy and Intelligent Transportation》青年编委，《汽车工程》青年编委等。在顶级期刊Nature Communications、Energy Storage Materials、Cell Reports Physical Science、Journal of Power Sources、Applied Energy、IEEE TTE等期刊累计发表80余篇论文，授权国家发明专利8项，出版车用电源技术中文专著1部，车用电池寿命衰减及管理英文专著各1部。主讲《现代电动汽车技术》本科课程，《动力电池建模与管理》研究生课程等。

张广续博士简介：现为同济大学博士后，从事动力电池全生命周期热失效评估研究，发表学术论文30余篇，以第一作者在Nano Energy、Renewable & Sustainable Energy Reviews、Journal of Energy Chemistry、eTransportation、Fuel等领域著名期刊发表SCI/EI论文17篇，ESI高被引论文2篇。申请发明专利26项，已授权10项。

电源系统智能管控研究团队致力于研究新能源汽车电化学电源系统机理及特性分析、先进/智能车用电化学电源系统管理与控制两类具有基础理论难度和重要实用价值的关键问题，与卡尔斯鲁厄理工学院、亚琛工业大学等建立了长期国际合作研究关系。团队先后承担8项国家自然科学基金项目（含2项重点）、8项科技部项目/课题（含973、863、科技支撑、重点研发计划）、其他各类省部级及校企合作项目40余项，合作成立了3个校企联合实验室。在电池管理及燃料电池控制领域，团队发表SCI论文100余篇，授权发明专利30余项，转让专利4项，形成了完整的动力电池管理及燃料电池控制技术体系。团队成员先后获2007年上海市科技进步一等奖、2008年国家科技进步二等奖、2013年上海市科技进步一等奖、2017年上海市科技进步二等奖、2020年汽车工业科技进步一等奖、2021年中国轻工业联合会技术发明一等奖等、2022年中国能源研究会能源创新奖一等奖、2022年上海市科技进步一等奖。