近日，储能领域的安全难题迎来重大突破！中国科学院物理研究所胡勇胜研究员、陆雅翔研究员、谢飞副研究员联合吉林大学毛慧灿教授团队，提出了一种全新的可聚合阻燃电解液体系（Polymerizable non-flammable electrolyte，简称 PNE），成功在安时级钠离子电芯中彻底阻断热失控反应，实现了本征安全的钠离子电池。相关研究成果以Thermal runaway-free ampere-hour-level Na-ion battery via polymerizable non-flammable electrolyte为题，发表于国际顶级期刊 Nature Energy。
长期以来，储能电池的安全性始终是行业的核心痛点。传统碳酸酯类有机电解液本身易燃，在电池遭遇碰撞、过充、高温等滥用场景时，极易引发连锁放热副反应，最终导致热失控，甚至起火爆炸。
此前，行业内普遍认为 “阻燃电解液就等于电池安全”，大量研究聚焦于开发不燃电解液，但多数成果仅停留在电解液级别的阻燃测试，从未在安时级的实用化电芯中实现彻底的热失控阻断。
而这项研究彻底打破了这一认知误区：团队发现，哪怕是本身阻燃的电解液，依然可能在电芯中诱发热失控 —— 单纯的阻燃，远远不够。
针对这一痛点，团队设计了全新的 PNE 电解液体系，从 “本征阻燃” 和 “主动防护” 两个维度构建了三重安全防线：
1. 本征不燃：从源头消除燃烧隐患
研究团队首先以磷酸三乙酯（TEP）为基础溶剂，从根源上消除了电解液的燃烧风险。为了验证这一点，研究人员首先通过点火实验装置开展测试：结果显示，浸泡了传统 EC/DEC 基电解液的隔膜遇火即燃，而浸泡了 PNE 电解液的隔膜完全无法被点燃，从源头杜绝了燃烧的可能。
随后，为了探究电解液的高温热行为，研究人员借助差示扫描量热仪（DSC）开展测试，发现了惊人的差异：
传统 EC/DEC 基和 TMP 基阻燃电解液在高温下均表现出剧烈的放热行为，这正是热失控的热量来源；而 PNE 电解液却表现出显著的吸热行为 —— 这意味着，当电池温度升高时，PNE 不仅不会释放热量，反而会吸收热量，延缓温度上升！
进一步的研究发现，当温度升高到 150℃以上时，PNE 会发生热致聚合反应：原本的液态电解液会快速固化，形成一层致密的聚合物屏障，就像在电池内部筑起了一道 “智能防火墙”，彻底阻断正负极之间的机械与化学串扰，从根源上切断热失控的传播路径。
为了证实这一聚合反应的发生，研究人员对加热后的电解液进行了表征：
通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），团队观测到 PNE 加热后 P=O、P-O-C 等特征峰显著宽化，证明了长链聚合物的生成；而高分辨质谱仪的分析则进一步揭示，PNE 加热后分子量显著提升，主要生成了 (TEP)₆寡聚体，完全证实了热致聚合的发生。
2. 双盐调控：攻克硬碳负极兼容难题
尽管 TEP 溶剂的安全性优异，但它与钠离子电池常用的硬碳负极的兼容性一直是行业难题：TEP 会与硬碳负极发生副反应，破坏界面稳定性，导致电池循环性能极差。
为了解决这一问题，团队构建了创新的双盐体系：以 NaBF₄为主盐，NaPF₆为辅助界面调控剂。
分子动力学模拟显示，这一双盐体系有效削弱了 TEP 与钠离子之间的溶剂化作用，钠离子的去溶剂化活化能从 0.28466 eV 降至 0.19782 eV，极大提升了与硬碳负极的兼容性。
为了验证界面的优化效果，研究团队开展了一系列精细的界面表征：
借助冷冻扫描透射电子显微镜（冷冻 STEM），团队观测到循环后的电极界面：PNE 体系中形成的固态电解质界面（SEI）膜均匀且薄，厚度仅 4.8 nm；而传统 EC/DEC 和 TMP 体系的 SEI 膜不仅不均匀，厚度更是达到了 12.5 nm 和 6.89 nm—— 更薄更均匀的界面，意味着更少的副反应，更高效的离子传输。
同时，飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）的分析显示，PNE 的 SEI 膜富含 PO₂⁻基团，而正极侧的电解质界面（CEI）膜则富含 B 元素，这种特殊的界面结构极大提升了界面稳定性。
电感耦合等离子体光谱仪（ICP）的测试则进一步证实，PNE 体系中，循环后负极表面的过渡金属（Ni、Fe、Mn、Cu）残留量远低于传统体系，这说明富 B 的 CEI 膜有效抑制了正极过渡金属的溶出，为高电压、长循环的稳定运行奠定了基础。
除此之外，团队还通过差示扫描量热仪和热重 - 差示扫描量热 - 质谱联用分析仪，验证了电极与电解液的热稳定性：PNE 体系下，嵌钠硬碳负极的 SEI 分解放热几乎可以忽略，正极的副反应放热也被极大抑制，产生的还原性气体更是远少于传统体系。
为了验证这一电解液在实用化电芯中的效果，团队制备了 1.45 Ah 和 3.5 Ah 级的圆柱钠离子电芯，开展了一系列严苛的安全测试：
1. 针刺测试：无烟、无火、无爆炸
研究人员采用电池针刺试验专用设备对满充状态的电芯进行针刺测试，这是电池安全测试中最严苛的测试之一。
结果令人振奋：采用 PNE 的电芯，在针刺后完全没有冒烟、起火、爆炸，电池外壳的最高温度仅升至 95.2℃！
而对比之下，传统 EC/DEC 体系和 TMP 阻燃体系的电芯，在针刺后瞬间发生了冒烟、起火甚至剧烈爆炸。
更令人意外的是，哪怕是磷含量更高、理论阻燃性更好的 TMP 电解液，在针刺测试中的表现也远不如 PNE—— 这再次证明，单纯的阻燃，根本无法解决电芯的热失控问题。
2. 300℃高温测试：完全不触发热失控
为了测试电芯的极限高温安全性，研究人员借助加速量热仪（ARC）开展了绝热热失控测试。
结果显示：传统 EC/DEC 基电芯在 208.4℃就触发了热失控，TMP 基电芯更是在 142.4℃就发生了热失控，最高温度飙升至 366.3℃；而 PNE 基电芯，哪怕加热到 300℃，都完全没有触发热失控！
测试后拆解电芯发现，隔膜已经完全熔化，但正负极材料因为聚合物的粘附保持完整，正是这层聚合形成的 “防火墙”，阻断了热失控的传播。
随后，研究人员通过气相色谱仪对测试过程中的气体产物进行分析，发现 PNE 体系产生的可燃气体量远少于传统体系，进一步证实了其安全性。
3. 高性能不妥协：高比能电芯也能过针刺
最关键的是，这一安全突破，完全没有牺牲电池的性能！
研究人员通过电池性能测试系统对电芯的各项性能进行了全面测试：
采用 PNE 的 3.5 Ah 圆柱电芯，室温下循环 700 次后容量保持率高达 85.7%；60℃高温下循环 700 次，容量保持率更是达到 88.1%；哪怕在 - 40℃的极端低温下，依然能保持 64.1% 的放电容量，宽温域性能优异。
更令人瞩目的是，团队将 PNE 与高电压单晶正极匹配，制备出了能量密度高达 211 Wh/kg 的 1.874 Ah 电芯 —— 这已经是当前钠离子电池的高端水平。而哪怕是这样的高比能、高电压电芯，在 4.3 V 满充的状态下，依然顺利通过了针刺测试，无烟、无火、无爆炸！
这项研究彻底颠覆了 “阻燃即安全” 的传统电解液设计理念，通过可聚合阻燃电解液，首次在安时级钠离子电芯中实现了彻底的热失控阻断，为高安全储能电池的发展开辟了全新的方向。未来，随着这一技术的产业化，钠离子电池将真正实现 “永不爆炸”，为大规模储能、电动车等领域提供更安全、更可靠的储能解决方案。
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