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Cathode‐Driven Aluminothermic Fronts Amplify Thermal Runaway in Lithium‐Ion Batteries

热失控 材料科学 阴极 铝 氧化还原 惰性 热的 电池(电) 热传导 惰性气体 相(物质) 氧气 传热 金属 复合材料 传质 大气(单位) 导电性 复合数 内部加热 发热 前线(军事) 焦耳加热 中尺度气象学 内氧化 冶金 动能 化学工程
作者
Yuxin Zhou,Lei Zhang,Yichao Zhang,Yanghan Su,Cangsu Xu,Shaorun Lin,Zhirong Wang,Xinyan Huang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.75673
摘要

Thermal runaway in lithium-ion batteries often develops from a local failure into a spatially propagating high-temperature front. Here, we show that oxygen-bearing cathode materials and metallic aluminium can form self-sustained, glowing, cathode-driven aluminothermic fronts in inert gas as a heat-amplification pathway relevant to severe thermal runaway. Using a mesoscale platform based on semi-1D composite bars, we isolate this interfacial redox chemistry from gas-phase combustion, internal short-circuit heating, and other coupled cell-failure processes. Nickel-rich layered oxide/aluminium bars sustain aluminothermic-front propagation in argon, with velocities of the same order of magnitude as reported thermal-runaway fronts. By varying aluminium loading, reaction atmosphere and cathode chemistry, we show that front propagation depends on aluminium fuel supply, the oxygen-donor capability of the cathode, and access to oxygen gas. Crystalline phase and chemical-state analyses reveal Li-Al-O/Al-O products together with reduced or reconstructed transition-metal species, supporting cathode-to-aluminium oxygen transfer as the underlying redox pathway. For a representative 2-Ah cell, energy-audit calculations indicate that the aluminium-cathode reaction gives a potential heat scale equivalent to about half of the stored electrical energy. These findings identify cathode-Al redox chemistry as an internal heat-amplification mechanism that should be considered in battery hazard assessment and high-energy-cell safety design.

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