来源：市场资讯
（来源：兴园化工园区研究院）
研究背景
安全性是大规模储能电池应用的核心前提。传统碳酸酯电解质因易燃性，在电池遭遇碰撞、过充或高温等滥用情况时极易引发热失控甚至火灾爆炸。
关键问题
目前，电池安全性的研究主要存在以下问题：
1. 安时级电池热失控难以消除
现有的阻燃电解质设计多停留在“电解质不燃”层面，但在安时级电池中，即使电解质不燃，电极间的放热副反应和化学跨扰仍会释放巨大热量，导致严重的电池级热失控。
2. 磷酸酯溶剂与负极界面不匹配
磷酸酯溶剂（如磷酸三乙酯TEP）虽成本低且不燃，但难以在硬碳负极表面形成稳定的钝化膜，导致钠离子脱溶剂化困难及电池循环性能不佳，通常需依赖高盐浓度或氟化手段解决，但这增加了成本和复杂性。
新思路
有鉴于此，中科院物理所胡勇胜、陆雅翔、谢飞联合吉林大学毛慧灿等人提出了一种可聚合且不燃的电解质（PNE），它利用协同的阴阳离子溶剂化效应并经历热触发聚合。获得了优化的电极-电解质界面和交联屏障，以防止电极之间的机械/化学相互作用并阻碍侧反应/还原性气体的产生，从而在安时级电池中实现无热失控。针刺测试也顺利通过，无烟、无火、无爆炸。这项工作带来了超越不燃电解质设计的电池安全性见解，并为建立更安全、更高效的能源存储电池系统铺平了道路。
技术方案：
1. 研究了PNE电解质的特性及聚合机理
研究人员对比多种电解质，发现TEP基电解质具有热诱导聚合特性，形成物理屏障防止跨扰，引入NaBF4降低脱溶剂化能解决与硬碳负极兼容性难题。
2. 证实了优化的电极-电解质界面化学
研究人员发现PNE电解质在负极形成极薄均匀SEI膜，正极形成富B的CEI膜，抑制过渡金属溶解，两性离子协同效应提升了电化学和热稳定性。
3. 研究了带电电极的热稳定性
研究人员通过DSC分析发现，PNE系统初期无SEI分解放热峰，309 °C仍保持吸热，抑制正负极剧烈反应，TG-DSC-MS显示还原性气体极少，通过原位聚合和吸热分解协同效应切断热失控链式反应。
4. 验证了安时级电池的本质安全
研究人员在安时级电池测试中验证PNE优越性，针刺测试无烟无火，ARC测试300 °C未触发热失控，隔膜熔化后聚合材料形成致密隔层，高温存储35天容量保持94%。
5. 表征了圆柱电池的电化学性能
PNE基电池循环700次容量保持率超85%，宽温域性能优异，适配高电压正极实现211 Wh/kg能量密度，兼顾安全性与长寿命，满足大规模应用需求。
技术优势：
1. 首次利用热诱导聚合实现了物理阻隔
本文首次提出了一种利用电解质（TEP）在高温下原位聚合形成三维聚合物网络的设计，有效切断了阴阳极间的机械接触和化学副反应。
2. 实现了真正的电池级本质安全
研究在3.5 Ah大容量圆柱电池上通过了300 °C高温和针刺测试，实现了无烟、无火、无爆炸的卓越安全性能，打破了阻燃不等于安全的瓶颈。
技术细节：
PNE电解质的特性及聚合机理
研究人员对比了传统碳酸酯（EC/DEC）、磷酸三甲酯（TMP）和磷酸三乙酯（TEP）基电解质的燃烧特性。虽然TMP和TEP均表现出优异的不燃性，但DSC测试显示TEP基电解质在加热过程中表现出显著的吸热行为，而TMP和碳酸酯则表现为放热。更有趣的是，TEP基电解质（PNE）在200 °C时从透明液体转变为褐色黏稠物质，表现出热诱导聚合特性。红外光谱（FTIR）证明聚合过程中C-H振动减弱，而P=O和P-O-C等特征峰显著加宽，表明生成了长链聚合物。质谱分析进一步确认了TEP在高温下脱去乙基生成磷酸，并进一步缩聚成低聚物的路径。这种热触发聚合能形成物理屏障，防止电极间的活性物质跨扰。此外，研究通过引入小尺寸的NaBF4盐，减弱了Na+与TEP之间的溶剂化作用，将Na+脱溶剂化能从0.28 eV降低至0.19 eV，从而解决了TEP与硬碳负极的兼容性难题。
图 电池安全性的重要性以及与以前相应工作的比较
优化的电极-电解质界面化学
通过冷冻透射电镜（Cryo-TEM）观察发现，PNE电解质在循环10次后，在负极表面形成了极薄且均匀的SEI膜（约4.8 nm），远薄于碳酸酯（12.5 nm）和TMP基电解质（6.89 nm）。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）深度分析表明，PNE在负极形成的SEI膜富含PO2-和F-组分。由于NaPF6的LUMO能级较低，它在负极表面优先分解，提供了良好的钝化效果。在正极侧，由于NaBF4具有较高的HOMO能级，能够在正极表面优先被氧化，形成富含B元素的CEI膜。这种富B的CEI膜极大地抑制了过渡金属离子（如Ni、Fe、Cu、Mn）的溶解和跨越，电感耦合等离子体（ICP）测试证实PNE组中负极沉积的过渡金属含量远低于对照组。这种两性离子的协同效应不仅提升了电化学稳定性，还增强了电池在高温环境下的热稳定性。
图 PNE的特点
带电电极的热稳定性研究
为了探究PNE如何抑制热失控，研究者对满电状态的电极进行了DSC分析。在负极侧，PNE系统在初期几乎没有SEI分解产生的放热峰，且在309 °C时依然保持吸热特性，这表明PNE与嵌入钠的硬碳负极之间的副反应极弱，且电解质本身的吸热分解占据了主导地位。相比之下，碳酸酯和TMP组则表现出剧烈的放热反应。在正极侧，PNE同样显著抑制了电解质与正极释放氧气之间的剧烈氧化反应，放热峰明显减小。同步热重-质谱（TG-DSC-MS）测试结果显示，PNE系统在加热过程中产生的H2、CO等还原性气体和烃类气体极少，这对于防止电池爆裂和火灾至关重要。这些数据证明了PNE通过原位聚合和吸热分解的协同效应，在微观层面切断了热失控的链式反应路径。
图 阴阳极材料的界面表征
安时级电池的本质安全验证
在实际的安时级电池测试中，1.45 Ah和3.5 Ah圆柱电池充分展示了PNE的优越性。在针刺测试中，使用碳酸酯和TMP电解质的电池均发生了猛烈的起火爆炸，而PNE电池全程无烟无火，外壳最高温度仅95.2 °C。加速量热仪（ARC）测试显示，PNE基电池即使加热到300 °C也未触发热失控（无T2和T3点），表现出独特的阶梯式升温特征。解剖ARC测试后的电池发现，隔膜虽已熔化，但由于PNE已聚合并将正负极材料牢牢粘合在一起，形成了致密的隔层，防止了内部短路和化学跨扰。气体色谱分析表明，PNE电池在高温存储和滥用测试中几乎不产生氢气，解决了商业化电池的一大安全隐患。此外，PNE在60 °C存储35天后仍能保持94%的容量，证明了其出色的化学稳定性。
图 电池的安全性测试
圆柱电池的电化学性能表现
除了卓越的安全性，PNE基电池也展现了极具竞争力的电化学性能。在3.5 Ah的26700型圆柱电池中，采用CNFM正极和硬碳负极，在室温和60 °C高温下均能稳定循环700次以上，容量保持率分别达85.7%和88.1%。该电池具有极宽的工作温域，在-20 °C、-30 °C和-40 °C下的放电容量保持率分别高达92.6%、84.5%和64.1%。更重要的是，PNE成功适配了高电压单晶正极（SC-NFM424），在1.5~4.3 V的高电压区间内，18650圆柱电池实现了211 Wh/kg的超高能量密度，且该高能量密度电池同样顺利通过了严苛的满电针刺测试。这组数据充分证明，PNE电解质不仅解决了安全性问题，还能够兼顾高电压性能和长循环寿命，完全满足大规模储能和动力电池的实际需求。
图 圆柱形电池的电化学性能
展 望
本研究通过开发一种具有热诱导聚合功能的磷酸酯基电解质（PNE），成功解决了钠离子电池在安时级容量下的热失控难题。PNE电解质在高温下能自动构建物理阻隔层，阻止电极间的破坏性化学跨扰，并结合协同盐设计优化了界面稳定性。实验证明，该电池系统不仅在极端滥用条件下展现出本质安全，且具备高能量密度（211 Wh/kg）和宽温域工作的综合优势，为未来低成本、高安全的钠离子电池大规模应用奠定了坚实基础。
参考文献：
Zhang, J., Zhou, L., Wang, H. et al. Thermal runaway-free ampere-hour-level Na-ion battery via polymerizable non-flammable electrolyte. Nat Energy (2026).
https://doi.org/10.1038/s41560-026-02032-7
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