近年來，鋰電池中的氣體生成由于其對(duì)電池發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用的巨大影響而受到越來越多的關(guān)注，特別是在發(fā)展高能量密度電池的體系中，增加了氣體演化的可能性，導(dǎo)致了不安全因素。因此，系統(tǒng)總結(jié)不同條件下的氣體形成機(jī)理，有利于從根本上說明電池衰減過程，為抑制氣體生成和性能優(yōu)化提供有效的理論指導(dǎo)，從而提升鋰電池高安全性發(fā)展。為了指導(dǎo)鋰電池材料的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高能量密度、高安全性的鋰電池，本文對(duì)廣泛應(yīng)用的正極、負(fù)極和電解質(zhì)在正常測(cè)試環(huán)境和熱失控環(huán)境下的產(chǎn)氣機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)。系統(tǒng)地分析和總結(jié)了相應(yīng)的產(chǎn)氣過程，這與所采用的電池材料的衰減過程密切相關(guān)。此外，本綜述還總結(jié)和討論了電池產(chǎn)氣抑制策略，對(duì)氣體抑制有了全面的認(rèn)識(shí)。本文期望能夠加深研究者對(duì)電池產(chǎn)氣問題的重視，為電池的安全使用提供思路。 綜述亮點(diǎn)：回顧了正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)的氣體演化機(jī)制；總結(jié)了防止氣體演化的策略，包括電極材料和電解質(zhì)之間的緩沖層構(gòu)建、電極材料的優(yōu)化和改性、電極組分和電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)試條件的調(diào)整等；對(duì)未來氣體演化分析和抑制提出展望。 圖1. 不同條件下的氣體生成過程及其對(duì)電池性能和安全性的影響。 ? 一、正極產(chǎn)氣機(jī)制 正極材料是是電池容量的貢獻(xiàn)者，但也是一塊短板，它決定了鋰電池的能量密度。正極側(cè)的氣體生成是電池氣體的重要來源，特別是在熱失控條件下，氣體將不斷產(chǎn)生，同時(shí)其他組分產(chǎn)生的氣體也會(huì)進(jìn)入電池，帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。本章節(jié)從正極材料表面殘留雜質(zhì)、正極材料本身、與電解質(zhì)的界面反應(yīng)、熱失控條件下以及電極其他組分等方面對(duì)電池產(chǎn)氣的貢獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)地分析和總結(jié)。 圖2. 正極材料正常工作條件下的產(chǎn)氣機(jī)制。 圖3. 正極材料熱失控條件下的產(chǎn)氣機(jī)制。 ? 二、負(fù)極產(chǎn)氣機(jī)制 負(fù)極和正極都是電池的重要組成部分。在電池所處環(huán)境電位低的情況下，其周圍的物質(zhì)容易被還原，包括形成的固體電解質(zhì)膜（SEI）、污染物、電解質(zhì)等。基于對(duì)負(fù)極產(chǎn)氣機(jī)制的總結(jié)，文章從四個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，包括電解液在負(fù)極表面還原過程中的產(chǎn)氣過程、SEI分解過程中的產(chǎn)氣行為、負(fù)極表面污染物的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)以及正負(fù)極之間的交互作用。 圖4. 負(fù)極側(cè)電解液分解產(chǎn)氣機(jī)制。 ? 三、電解液分解 電解液被稱為鋰電池的“血液”，它不僅負(fù)責(zé)正極和負(fù)極之間的離子傳遞，還通過建立保護(hù)層來抑制電極/電解質(zhì)界面的副反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)鋰電池的高性能。然而，目前廣泛應(yīng)用的電解質(zhì)有兩面性，它們不僅可燃和而且容易被分解產(chǎn)生氣體，特別是在無保護(hù)的熱失控條件下，電解液被認(rèn)為是電池安全問題的主要貢獻(xiàn)者。眾所周知，產(chǎn)氣主要來自于溶劑的分解和相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物，如SEI，因此，對(duì)電解質(zhì)產(chǎn)氣機(jī)理的詳細(xì)研究將具有重要意義。本章節(jié)對(duì)各種對(duì)高能量密度鋰電池中的各種電解質(zhì)的產(chǎn)氣問題進(jìn)行了總結(jié)，包括有機(jī)液體電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)等。 圖5. 電解液分解導(dǎo)致的產(chǎn)氣問題。 ? 四、抑制氣體產(chǎn)生的方法 氣體的產(chǎn)生通常是由電極材料和電解質(zhì)之間的界面反應(yīng)引起的，因此避免兩部分之間的直接接觸是可行的策略。一般通過電極材料表面包覆和在正極和負(fù)極側(cè)形成固態(tài)電解質(zhì)界面兩種方法實(shí)現(xiàn)。材料本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是解決產(chǎn)氣問題的重要途經(jīng)，例如材料摻雜、表面改性、形貌控制和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。除此之外，學(xué)術(shù)界對(duì)電池產(chǎn)氣問題的解決也提出了包括電極組分優(yōu)化和測(cè)試條件優(yōu)化（如溫度、電壓和電流密度）等方案，都起到了不錯(cuò)的效果。 圖6. 電池產(chǎn)氣抑制措施。 ?

【展望】 近幾十年來，鋰電池產(chǎn)氣問題因其對(duì)電池發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用的巨大影響而受到越來越多的關(guān)注。本文首先對(duì)正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)的產(chǎn)氣機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，讓大家對(duì)普通電池系統(tǒng)的產(chǎn)氣情況有了全面統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。總結(jié)了電極材料與電解質(zhì)之間建立緩沖層、電極材料優(yōu)化與改性、電極組分與電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)條件調(diào)整等防止氣體生成的策略，為防止氣體生成開辟了新視野，為制定更有效的氣體抑制策略提供參考。我們應(yīng)該知道，僅僅依靠一兩種策略是不容易完全抑制氣體的，因?yàn)閺碾姵刂杏^察到的氣體可能來自不同的成分，包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、導(dǎo)電碳、殘水等。對(duì)電池的每一個(gè)環(huán)節(jié)都要特別注意，這是一項(xiàng)巨大工程。 鋰電池氣體檢測(cè)與分析是解決鋰電池氣體生成問題的基礎(chǔ)。然而，最常用的設(shè)備DEMS存在很大的局限性，如電解液蒸發(fā)導(dǎo)致的氣體檢測(cè)時(shí)間有限，大量電解液的使用導(dǎo)致與真實(shí)電池系統(tǒng)的偏差，收集到的產(chǎn)氣結(jié)果的準(zhǔn)確性等，因此進(jìn)一步改進(jìn)DEMS的測(cè)量是必要的。可信的產(chǎn)氣結(jié)果，可以準(zhǔn)確地總結(jié)出氣體的演化機(jī)理，這不僅有利于分析電池衰減的根本原因，也有助于提供精確、有針對(duì)性的氣體抑制策略。基于此，本文對(duì)未來的電池的產(chǎn)氣演化分析和抑制工作提出如下展望：

長(zhǎng)期高精度氣體檢測(cè)能力。設(shè)計(jì)和開發(fā)一種多功能的原位DEMS設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)滿足以下要求，包括長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試、揮發(fā)性電解質(zhì)冷凝和補(bǔ)充系統(tǒng)、高靈敏度的氣體檢測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)的和可重復(fù)的氣體測(cè)試協(xié)議等。在商用電池測(cè)試中，通常在數(shù)百次循環(huán)后會(huì)出現(xiàn)脹氣現(xiàn)象，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了DEMS的能力。因此，需要DEMS具備長(zhǎng)期測(cè)試能力，能夠在電池長(zhǎng)期循環(huán)過程中進(jìn)行原位氣的演化分析。通常情況下，DEMS設(shè)備中電池產(chǎn)生的氣體含量是有限的，不同批次對(duì)應(yīng)的量化結(jié)果很難重復(fù)，因此一種可靠的、通用的產(chǎn)氣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)非常重要，Jie等人已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

科學(xué)的氣體檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)。科學(xué)探討產(chǎn)氣機(jī)理是揭示鋰電池衰減過程的關(guān)鍵，與其它高分辨率表征技術(shù)相結(jié)合，可以從根本上闡明內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。考慮到交叉反應(yīng)引起的復(fù)雜性，建議將應(yīng)用的正極和負(fù)極分開研究(即半電池)，LiFePO4可以作為重要的參考。然后，建議后續(xù)進(jìn)行全電池氣體演化研究，通過研究氣體種類和含量來分析串?dāng)_反應(yīng)。

不同條件下電池產(chǎn)氣測(cè)試的相關(guān)性探討。對(duì)正常工作條件和熱失控情況(高溫、過充、短路等)下的產(chǎn)氣行為進(jìn)行系統(tǒng)研究，有利于建立兩種產(chǎn)氣演化機(jī)制之間的相關(guān)性。通過分析內(nèi)部相關(guān)性，可以精確地提出更有效的氣體抑制措施。到目前為止，大多數(shù)研究都是將這兩種情況分開進(jìn)行研究，這不利于對(duì)電池氣體演化過程的全面認(rèn)識(shí)。因此，建立這兩種背景下的產(chǎn)氣關(guān)聯(lián)機(jī)制具有重要意義。

先進(jìn)的綜合檢測(cè)技術(shù)。需要在開發(fā)精確的檢測(cè)技術(shù)方面作出更多努力。原位DEMS提供了氣體產(chǎn)氣電壓位點(diǎn)和氣體含量等信息，可與其他技術(shù)相結(jié)合，探測(cè)固體和液體反應(yīng)產(chǎn)物，以推演氣體生成機(jī)制，如原位高分辨率透射電鏡和核磁共振波譜。

多種抑制氣體方案并行。電池內(nèi)產(chǎn)氣源很多，所以所有可能產(chǎn)生氣體的組分都應(yīng)該在電池組裝前進(jìn)行修飾和優(yōu)化。所總結(jié)的氣體抑制方法，包括緩沖層的構(gòu)建、電解質(zhì)的優(yōu)化、測(cè)試條件的選擇等，都不是最合適的技術(shù)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。例如，涂層在電極表面的覆蓋范圍往往是不均勻的，導(dǎo)致界面持續(xù)副反應(yīng)和氣體產(chǎn)生。

深入開展氣體演化研究。正常狀態(tài)和熱失控情況下的氣體生成機(jī)理分析和抑制方案開發(fā)，可以解決電池的安全問題，同時(shí)提高電化學(xué)性能。氣體分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高安全、高電化學(xué)性能鋰電池的一種高效、有價(jià)值的技術(shù)。在電池實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)氣體演化的深入研究值得重視。