高镍锂电池具有较高的能量密度，但也面临更加突出的热安全挑战。当电池异常过热时，高镍正极可能释放活性氧，并与电解液发生一系列放热反应。在这一过程中，自由基等活性物种不断参与新的化学反应，使热量和可燃气体持续积累。就像接连倒下的多米诺骨牌，这些反应可能相互促进，最终使电池进入难以控制的热失控状态。

传统安全策略主要着眼于提高材料的热稳定性或减轻事故后果。研究团队则希望进一步解决一个问题：能否在危险化学反应持续放大之前，直接干预其反应过程？

为此，研究人员设计了一种含膦酸酯基团的功能聚合物，并将其引入高镍正极。聚合物中具有特定化学环境的磷—碳（P–C）键，就像一根能够感知温度的“分子保险丝”：正常条件下保持稳定；当温度异常升高时，P–C键发生断裂，产生具有保护作用的含磷自由基。这些活性物种能够干预危险的自由基链式反应，从而抑制持续放热。

这根“保险丝”不仅能够发挥保护作用，还能调节何时启动。研究人员通过改变膦酸酯侧链的分子结构，调控P–C键的断裂行为，使相应的热响应起始温度由约102℃提高至112℃。这一调整使聚合物能够耐受约100℃的正极制备烘烤条件，避免保护功能在电池制造过程中被提前消耗，同时保留异常升温时的响应能力。

Scheme 1：聚合物分子保险丝的温度响应机制

这种分子层面的保护作用能否真正提升电池安全性？研究团队进一步开展了热分析和电池热安全实验。

结果表明，在高镍正极与电解液的热反应测试中，引入分子保险丝后，体系的总放热量降低了76%，显示出对危险放热反应的显著抑制作用。

在容量为0.6 Ah的锂金属软包电池热箱实验中，采用分子保险丝的电池发生严重电压崩塌时，对应的表面温度较对照电池提高了52.2℃，表明其能够延缓热失效过程。同时，改性电池仍保持了良好的正常充放电性能。

这一研究的意义，不仅在于为高镍锂电池提供了一种新的安全保护材料，更在于提出了利用可调控的化学键，在异常升温时主动干预危险反应的设计思路。与单纯依赖被动隔热或阻燃的策略不同，这种“分子保险丝”能够在热失控发展早期及时响应，介入并抑制危险副反应，为高能量密度电池的安全设计提供了新的研究方向。

该研究由中国科学院化学研究所等单位合作完成，汪展鹏、柴聪正为论文共同第一作者，张莹、郭玉国、白春礼为共同通讯作者。

研究论文

A Polymer-Embedded Molecular Fuse for Safer High-Nickel Lithium Batteries

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag679