锂离子电池热失控中粘结剂产氢机制：被忽视的安全隐患与分子设计策略

　　针对锂离子电池(LIBs)热失控过程中粘结剂分解产氢这一被低估的安全风险，研究人员通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和差示扫描量热法(DSC)系统研究了6种常用粘结剂的分子结构特征与产氢机制，发现含氢化学键是产氢根源，并提出通过环状分子结构设计和无氢原子粘结剂开发可显著提升电池安全性，为LIBs粘结剂分子设计提供了关键理论依据。

　　

随着全球碳中和目标的推进，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和长循环寿命成为便携式电源和固定储能系统的核心。然而，随着单体电池容量的增大，热失控引发的安全问题日益凸显——这种链式反应会释放氢气等可燃气体，其中粘结剂分解产生的氢气因反应温度高、时间短而成为最危险的隐患。尽管粘结剂在电池中占比不足5%，但其产氢量在大型储能系统中不容忽视。更棘手的是，现有研究仅聚焦聚偏氟乙烯(PVDF)和羧甲基纤维素钠(CMC)两种粘结剂，缺乏普适性产氢机制解析，导致安全设计存在盲区。

针对这一关键问题，东南大学等机构的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，首次从分子结构角度揭示了粘结剂产氢的共性机制。研究通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析6种粘结剂的化学键特征，结合差示扫描量热法(DSC)比较其与锂化石墨的反应活性，建立了分子结构-热稳定性-产氢难度的关联模型。

关键技术包括：1) 采用FTIR表征粘结剂分子中的含氢化学键；2) 通过DSC分析粘结剂单独及与锂化石墨混合体系的热分解行为；3) 使用锂铁磷酸盐电极和石墨电极构建半电池制备锂化石墨样本。

【氢生成机制】研究发现粘结剂产氢源于分子中的C-H、O-H等含氢化学键断裂。PVDF通过锂诱导的C-H键断裂产氢，CMC则通过O-H键与锂反应。值得注意的是，聚四氟乙烯(PTFE)因不含氢原子而完全不产氢，这为安全设计提供了重要启示。

【分子结构影响】环状分子结构（如聚乙烯吡咯烷酮PVP）既能提升热稳定性，又增加产氢能垒；而无氢原子设计的PTFE展现出最优的热稳定性和零产氢特性。实验证实，线性分子结构的粘结剂在高温下更易与锂化石墨反应产氢。

【结论与意义】该研究首次提出粘结剂分子中的含氢化学键是热失控产氢的根本来源，建立了分子结构调控产氢行为的普适性规律。特别重要的是，发现环状结构和无氢设计可分别抑制或完全消除产氢风险，这为高安全LIBs粘结剂的分子设计提供了明确方向：采用环状骨架结构或完全不含氢的聚合物（如PTFE）能从根本上解决粘结剂产氢问题。该成果对大型储能系统安全提升具有重大价值，被审稿人评价为"粘结剂安全研究领域的里程碑式工作"。