BMW_Factors influencing the thermal stability of li-ion batterie...

• Onset of exothermic reactions is determined by the anode side  Deposition of metallic lithium on the anode surface should be prevented  Effective and thermally stable SEI is key for a safe LIB • High reactivity of the cathode in presence of electrolyte dominates the kinetics during thermal runaway  Layered and spinel-type electrodes exhibit a decreased thermal stability in the charged state  The presence of nickel largely reduces the thermal stability of positive active materials (especially in the charged state; Ni4+) independent of the structure (layered/spinel)  An increasing nickel content in the NCM structure intrinsically reduces the thermal stability  Overall, aging effects have a larger influence on the thermal stability of layered transition metal oxides like NCM compared to spinel-type or olivine-type active materials 锂离子电池的热稳定性是其安全性和可靠性的重要因素，尤其对于电动汽车和便携式电子设备中的高能量密度电池而言。本研究主要关注了影响锂离子电池热稳定性的几个关键因素，包括活性材料、荷电状态（SOC）、老化效应以及内部和外部热源。 电池的热稳定性起始于负极，尤其是防止金属锂在负极表面的沉积。金属锂的沉积会导致短路和剧烈的热反应，这是热失控的初始触发点。因此，构建一个有效且热稳定的固体电解质界面膜（SEI）对于锂离子电池的安全运行至关重要。SEI能够防止进一步的锂沉积并保护负极材料，从而提高电池的热稳定性。 正极材料的高活性与电解液相互作用，主导了热失控过程的动态。层状和尖晶石结构的电极在充电状态下热稳定性降低。其中，镍的含量对正极材料的热稳定性有显著影响，特别是在充电状态下的镍4+（Ni4+），无论是在层状还是尖晶石结构中，都会降低热稳定性。NCM（镍钴锰三元材料）结构中镍含量的增加会内在地减少电池的热稳定性。 老化效应对层状过渡金属氧化物如NCM的热稳定性影响更大，相对于尖晶石型或橄榄石型活性材料。老化可能导致容量衰减，这与热稳定性下降有关。例如，在商业18650电池中，当在20°C下循环时，电池容量快速衰减，表明SEI形成不足，可能导致不均匀的降解效应。而在45°C下，虽然容量衰减较慢，但表明形成了有效的SEI，减少了不稳定的副反应。 此外，荷电状态（SOC）也对电池的热稳定性有显著影响。电池在高SOC状态下，由于正极材料的氧化态更高，热稳定性通常较低。同时，外部和内部热源，如外部短路、内部短路、枝晶生长、穿透和挤压等，都可能触发热分解，进而导致热扩散和热失控。 通过显微观察和7Li MAS核磁共振（NMR）分析，可以揭示SEI的质量及其对电池性能和热稳定性的直接影响。例如，20°C下电池的SEI形成不足，可能导致Co的插入、层状结构的剥离和分解层的形成，而45°C下则观察到有效SEI的形成，这有助于抑制热事件的发生。 锂离子电池的热稳定性是一个多因素相互作用的过程，涉及到活性材料的选择、电池的老化程度、荷电状态以及外部环境条件。为了确保电池的安全性，必须综合考虑这些因素，并优化电池设计和制造工艺，以提高电池的热稳定性。这对于电动汽车和可再生能源存储系统中使用的高能量密度锂离子电池尤其重要。