来源：中科院物理所

在绿色发展不断推进的背景下，研发兼具高能量密度与高安全性的电池体系已成为科研界与产业界的共同目标。其中能量密度有望突破400 Wh kg⁻¹的高镍层状正极材料（如LiNixCoyMn1-x-yO2，NCM, x≥0.8）与硅基负极（如SiOx）组成的新体系，备受业界关注。然而，高能量密度电池也伴随着正负极更严重的结构退化、加剧的界面反应以及过渡金属的溶解-沉积等问题。此外，氧化物正极在循环过程中溶出的过渡金属离子，易与电解液中的溶剂配位，并催化溶剂在负极表面发生双电子还原分解，生成有机金属化合物及大量气体。这些气体会破坏负极SEI的结构，加速电解液持续渗入与分解。持续的界面副反应不断消耗活性锂离子，促使SEI膜以“自下而上”的方式持续生长增厚，最终导致电池极化加剧（Advanced. Materials, 37, 47 (2025): e13736; Advanced. Energy Materials, 15, 47 (2025): e03489）。

在实际使用过程中，上述的这些问题会被放大，尤其是在过充等滥用条件下，最终可能触发电池的热失控。然而，目前针对高镍/硅基全电池在过充条件下的界面演变机制、多界面交互作用及动态过程仍缺乏系统研究，因此，深入解析该体系在复杂工况下的失效机理，对提升电池安全性、推动商业化至关重要。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的王雪锋特聘研究员与李泓研究员团队，采用多尺度先进表征技术，系统研究了能量密度为360 Wh kg⁻¹的高镍正极（NCM90）||硅氧石墨复合负极（SiOx@Gr）软包电池的过充失效机制。研究发现，电池性能衰退主要源于正负极之间的界面演变与协同劣化。在负极侧，石墨表面出现锂沉积，SiOx颗粒发生体积膨胀与开裂，SEI膜也发生重构。进一步的研究揭示了石墨与SiOx之间的相互作用机制：过量Li⁺嵌入SiOx导致其体积膨胀与颗粒开裂，甚至诱发石墨表面析锂；同时，石墨中的Li⁺会扩散至相邻SiOx颗粒，造成其内部Li⁺分布不均，引发非均匀应力并导致颗粒内部开裂。此外，尽管高镍正极的体相结构在过充中得以保持，但其溶出的Ni²⁺以及释放的活性氧会迁移至负极，加剧负极界面的衰退。这种正负极间的串扰效应破坏了电极界面的稳定性，引发严重的相变、持续的电解液分解和气体析出，最终导致电池性能急剧下降。因此，通过优化石墨界面、改进石墨与硅的复合结构，并采用表面包覆或掺杂等方式抑制高镍正极中Ni的溶解，成为提升电池安全性的可行策略。

相关成果以“Decoupling the Failure Mechanism of 360 Wh kg⁻¹ Lithium-Ion Pouch Cell During Overcharging”为题分别发表在国际期刊Advanced Materials上。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会和中国科学院的资助。