近期，山东科技大学程元、姜丽华教授、胡相明教授与中国科学技术大学王青松研究员等人综述了LMBs的火灾安全研究进展，从电池材料活性、界面稳定性、热失控触发条件、热失控行为和机理等方面详细阐述了LMBs的热失控问题，探讨了Li-S、Li-O₂和固态LMBs的热失控特性和新的安全挑战。基于LMBs的热失控机理系统总结了提升LMBs本质安全性的前沿策略，包括电解质设计、界面设计、隔膜设计以及负极设计。同时，介绍了人工智能技术（AI）在LMBs安全电解质配方设计、电池故障诊断及热失控预测方面的应用潜力。最后，从材料层面、电池层面和系统层面展望了改善LMBs火灾安全性需进一步开展的工作。

图1. LIB和LMB的能量密度和火灾安全性对比。

该论文以“Fire safety challenge of lithium metal batteries and advanced strategies for improving intrinsic safety”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

火灾安全问题是主导电池技术发展方向的重要因素，在当下各行业对高能量密度电池需求的刺激下，锂金属电池技术的复兴必须以保障安全性为前提。本工作对比了LIBs和LMBs的能量密度与火灾安全性（图1），指出二者在组成上存在的相似性及共同面临的安全隐患，如电解质的燃烧、隔膜的破损以及正极的分解等。而LMBs因使用锂金属负极，衍生出更高的安全风险，如：锂的高反应活性使电池在热失控时释放大量可燃气体与热量，增加火灾危害；锂的不均匀沉积/剥离行为，造成负极巨大的体积变化、SEI膜的破损，锂枝晶和死锂的形成，增大短路风险；Li-S电池的多硫化物穿梭效应、Li-O2电池持续的氧气供应等成为新的安全挑战。本工作详细阐述了LMBs的热失控机制，不同的材料组成对LMBs的热失控反应路径和火灾危害有显著影响（图2），锂金属和隔膜熔化引起的内部短路以及与氧气相关的放热反应对LMBs的热失控起着关键作用，固态电解质及不燃电解质的应用对电池内部热串扰反应时序及电池热失控特征温度有显著影响。基于电池热失控机理，综述了LMBs的本质安全改性技术，其核心在于调控锂枝晶的生长和抑制以锂金属负极为核心的产热反应，主要改性策略包括开发新型电解质、构建电极界面、设计新型隔膜和负极（图3）。在电解质设计方面，概述了电解质添加剂的作用机制，分析了阻燃剂和离子液体等作为新型电解液溶剂的高热稳定性，揭示了固态LMBs电池的热失控特性。在界面设计方面，总结了界面工程对SEI膜结构、热稳定性与机械强度的改善，对比分析了电池的热失控临界参数。在隔膜设计方面，总结了隔膜改性策略在提高电池内短路温度及抑制锂枝晶生长方面的显著成效。在负极改性方面，概述了诱导锂沉积行为的改性策略，分析了高火安全性复合负极的相关研究进展。

图2. 锂金属电池发展历史中所面临的火灾安全挑战

图3.（a）基于碳酸酯电解液的常规LMBs热失控耦合反应，（b）锂硫电池中的热诱导风险，（c）基于Li6PS5Cl电解质的固态LMBs热失控多步反应机制。

图4.提高LMBs本质安全性的策略。

图5.（a）FEC抑制锂枝晶生长的示意图，（b）十溴二苯乙烷的阻燃机理，（c）基于十溴二苯乙烷改性电解质的软包电池耐火试验，（d-e）氟代硫酸盐添加剂的阻燃机理。

图6.（a）锂和Li|Li₁₃In₃箔在不同循环圈数下的光学显微镜图像，（b）具有有机、无机和有机-无机混合SEI层的锂金属负极表面形貌随循环圈数增加的变化示意图，（c）具有不同SEI膜的锂金属电池热失控温度对比。

图7.（a）不同二氧化硅纳米球改性隔膜作用下的锂沉积行为示意图，（b）用石蜡封装的热响应隔膜结构，（c）采用石蜡封装热响应隔膜的Li|LFP软包电池在针刺测试前后的温度变化。

图8.（a）锂在Au条图案化铜基板上的选择性沉积行为，（b）带有Au纳米的碳纳米腔示意图，（c）普通锂金属负极以及（d）Li/Cu复合负极的燃烧和红外热成像图像。

LMBs是下一代高能量密度电池最有前景的候选者，现有研究从电解质、隔膜、界面和电极改性等多个方面提出了电池本质安全提升策略，为LMBs的进一步发展提供了重要参考。然而，目前LMBs的火灾安全问题仍然十分严峻，对其规模化商业应用构成了巨大挑战，在材料层面、电池层面和系统层面仍有许多工作可以进一步开展（图9）。

材料层面：需提升锂负极热稳定性（如通过合金化或耐高温涂层改善高温耐受性），减少氧释放（开发无释氧电池材料或氧气捕获添加剂），推动多策略协同联用（如正负极与电解液协同改性以阻断多材料热耦合反应）。

电池层面：应将实验室研究扩展至应用级（开展高容量全尺寸锂金属电池热失控实验，研究浸水、过充等真实失效模式），开发原位检测技术与设备（解析热失控主反应及中间产物），开展热失控模拟研究（预测枝晶生长及温度分布等）。

系统层面：需开发适配LMBs的电池管理系统（基于AI的热失控预警及枝晶生长监测等），建立全生命周期安全评估体系（循环老化、生产杂质及电池退役回收）、研发应对锂金属高反应性的专用高效灭火剂及灭火装备。

图9. 在材料、电池和系统层面开发更安全LMBs的未来发展方向

Fire safety challenge of lithium metal batteries and advanced strategies for improving intrinsic safety

Yuan Cheng, Lihua Jiang *, Xiangming Hu**, Zhiyuan Yang, Hengyu Xu, Biao Kong, Yurui Deng, Longfei Han, Mengdan Zhang, Xiaoxuan Wei, Qingsong Wang***

Journal of Energy Chemistry

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.06.065

作者信息

通讯作者 胡相明