点击左上角“锂电联盟会长”，即可关注！　　　　【研究背景】　　在高比能锂离子与全固态电池中，气体的生成与演化直接牵动安全、寿命与工程可制造性：一方面，气体在电芯内累积会导致内压上升、极片起皱/脱粘、极化加大，进而加速 SEI/CEI 失稳与容量衰减；另一方面，特定气体与高温、正极释氧等工况耦合，可能触发热失控的链式反应。传统原位产气表征模式（也就是我们常说的OEMS或DEMS）因持续吹扫与分辨率受限，往往低估被困气体在长期循环中的消耗与跨极串扰，且对挥发性有机物（VOCs）识别不足，难以形成可直达材料配方与工艺参数的证据链。因此，构建一套既能在真实电芯工况下如实记录气体行为、又能在分子层面精细解析物种，并可外推到固态体系的系统化研究路径，已成为破解“电池产气—安全—寿命—制造”关键矛盾的前提。　　近日，厦门大学乔羽教授与宁德时代（CATL）展开针对电池产气的相关研究合作，旨在为高比能电芯的“产气”问题提出一套面向未来的研究方向。团队经过“学术界+产业界”的深度交叉讨论、研讨后认为，认为后续电池产气相关的研究可沿三条互补路径持续推进：其一，器件工况化——在真实软包电芯中采用不扰动的间歇取样，长期追踪气体的累积—消耗—串扰，获取可用于健康评估的工况级事实；其二，色谱精细化——在分子层面完成有机挥发物与关键中间体的色谱分离、指认与定量，纠正仅看永久性气体（氧气、二氧化碳、氢气、一氧化碳，等）带来的机理缺口，将气体产物检测拓展至醇醚酯类；其三，固态电池化——将诊断思维迁移到聚合物固态电池、硫化物等全固态电池体系，并与材料本征稳定性及工艺/形貌联动验证。　　【工作简介】　　围绕这三条方向，厦大-CATL联合团队近期在 Advanced Energy Materials、Chemical Science、Nano Letters 上发表多篇研究型论文，提出相应代表性样例：（1）Advanced Energy Materials 一文在液态软包电芯上首建 OIE-GC-MS 架构，以“间歇取样+ MS×GC-MS 双通道”在不扰动电芯的前提下长期跟踪 H2/CO2/C2H4 等永久气与 VOCs，捕捉到 C2H4 随温度与周次出现的“再生”信号及其跨极串扰/二次消耗线索，树立了“器件工况化”的范式；（2）Chemical Science 一文以在线电化学/热解 GC-MS为核心，自色谱分离到质谱确证准确解析出环氧乙烷、二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环、1,4-二氧六环等关键环醚中间体，补全 PEO 的分解路径，代表了“色谱精细化”应达到的粒度；（3）Nano Letters 一文则将诊断思维外推至硫化物全固态：在 LPS/LPSCl 体系中原位揭示“On-/O2 释氧→界面氧化→ SO2”的因果链，证明 LPSCl 在高压下可消除 SO2，并量化温度、压实、正极晶型（单晶/多晶）对放气与界面稳定性的耦合影响，给出“固态电池化”方向上可调的设计旋钮。由此，三篇工作分别为下一代电池产气研究提出展望，即做“看得真（器件）—分得清（色谱）—跟得上（固态/工程）”的产气表征开发，并且合作团队提供了可复用的研究范式与方法学支点。　　【研究工作具体介绍】　　1.可应用于锂离子软包电池气体全产物分析的工况间歇取气气相色谱-质谱技术开发　　　　第一作者：薛纪元　　通讯作者：乔羽*，孙信*，张海棠*　　单位：厦门大学，宁德时代　　针对锂离子电池中气体产物的监测，典型的差分/在线电化学质谱（DEMS/OEMS）表征方法受限于固有的局限性，例如，干扰实际电化学长期循环和产物识别的失真。更为关键的是，DEMS/OEMS的气体监测能力有限，尤其是对于具有日益复杂的副反应和气体产物演化的高比能电池系统而言，其监测能力显得尤为不足。为了解决这些限制，研究团队开发了一种工况间歇取气气相色谱-质谱（OIE-GC-MS）系统，专为实际软包电池设计，配备了特色的间歇性取气模式和并行的质谱（MS）与气相色谱-质谱（GC-MS）检测器。该方法能够在真实的长期循环条件下，跨越不同温度场进行全维度气体演化信息监测。值得注意的是，GC-MS表征通过色谱分离解析气体产物，从而揭示了被掩盖的反应机理，尤其是长期循环过程中的复杂串扰/消耗反应。OIE-GC-MS系统具备高通量表征能力，显著提高了产物分析效率。该系统为电池失效的复杂反应提供了重要见解，建立了一种针对实际储能设备的气体分析模式。　　　　图1.典型DEMS表征的局限性。(a) DEMS表征主要局限性的示意图：电化学性能干扰、缺乏长期监测能力、气体信息失真和气体监测范围有限。(b) DEMS与非原位质谱（ex-situ MS）结果的比较，这些结果是在NCM811-AG软包电池循环过程中（2.8-4.5 V）收集的，使用的是1.0 M LiPF6 EC/EMC溶液（3/7，v/v）。DEMS（灰色轨迹）和非原位质谱（红色轨迹）的相应电压曲线，以及DEMS（灰色柱）和非原位质谱（红色柱）所统计的各种永久气体演化速率及定量气体量的结果。值得注意的是，由于忽略了气体消耗现象，DEMS法收集到的H2、C2H4和CO2的摩尔量大于非原位质谱法。　　　　图2. OIE-GC-MS 系统示意图。(a)原创设计/构建的 OIE-GC-MS 系统的示意图。虚线框部分为具体的间歇取气程序：步骤 I：定量环及部分气路被抽至高真空状态，红色轨迹代表处于真空状态的气路；步骤 II：在定量环与电池之间的压差驱动下，气体产物由电池被提取并填充至定量环中，黄色轨迹代表来自电池的气体产物所充满的气路；步骤 III：在气流稳定后，通过切换六通阀将定量环中的气体产物注入至GC-MS进行检测，绿色轨迹代表注入GC-MS检测器的气路；步骤 IV：六通阀恢复至初始位置，气路状态在补充气体作用下恢复至常压，为下一轮样品提取做准备，蓝色轨迹代表被补充气体冲洗的气路。简而言之，OIE-GC-MS系统已被验证为一种强有力的、非破坏性且高通量的分析平台，可实现对长期循环电池全维度气体产物的检测。(b) OIE-GC-MS 取样流程图示。通过统计结果与循环次数之间的关联分析，可揭示长期循环过程中复杂的副反应机制。　　　　图3. OIE-GC-MS 统计结果的积分面积及提出的反应机制/路径。(a)通过 GC-MS 统计的不同有机蒸气（醇类、醚类、烷烃类、氟化烷烃、羧酸酯类和碳酸酯类）在循环过程中产生的结果。(b)提出的气体相关电解液分解和长期循环过程中的串扰反应机制/路径。　　联合团队发布自研 OIE-GC-MS 平台，实现对长期循环电芯的无扰动、全维度产气监测：采用间歇取样，将 MS（配冷阱）用于永久气、GC-MS（无冷阱）用于 VOCs，物种覆盖更完整；多阀集成支持多电芯并行，显著提升通量。该平台已在 NCM811-AG 软包电池的不同温度下验证，捕捉到长期循环中的跨极串扰与气体消耗，并以器件级数据标记 C2H4 后期“再生”这一早期失效信号，为材料/工艺优化与在役诊断提供直接证据。OIE-GC-MS 系统已被证明是用于识别实际电池装置长期循环过程中全维度气体产物的潜在表征平台，它不仅可以为电极材料设计/改进提供指导，还可以为先进的电池装置和其他需要复杂产品组分分析的储能设备提供诊断功能。　　2. PEO基聚合物电解质分解的原位气体产物分析　　　　第一作者：田源，裴男标　　通讯作者：乔羽*，张鹏*，孙信*，涂文彬*　　单位：厦门大学，宁德时代　　聚合物电解质因其优异的界面相容性和可加工性，在固态锂电池中展现出广阔的应用前景。其中，聚氧化乙烯（PEO）基聚合物电解质是最具代表性的候选之一。然而，该体系依然受到电化学窗口窄、室温离子电导率低，以及分解机理和界面副反应认知不足等瓶颈限制。与液态电解液体系相比，PEO基聚合物电解质在电极/电解质界面的反应机制及动态劣化过程缺乏系统性认识，尤其是长循环与热失控条件下分解产物的动态演化尚未被全面揭示。这种认知空白严重制约了高能量密度固态电池的设计与应用。研究团队创新性地结合在线质谱（MS）与气相色谱质谱联用技术（GC-MS），系统研究了LCO正极/PEO基聚合物电解质体系在电化学循环和热失控两种场景下的界面反应及分解产物动态演化行为。该研究实现了对永久性气体（如H2、O2、CO2）及环醚类中间产物（如1,4-二氧六环、环氧乙烷、二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环）的精准分离与识别，揭示了PEO电解质在复杂工况下的分解路径。该工作为高比能固态电池界面稳定性与热安全设计提供了全新机理认识和评估方法，为下一代高性能PEO基聚合物电解质与正极材料的合理设计奠定了理论基础。　　　　图1.在线MS与在线GC-MS技术的比较与优劣势。在线MS通过四极杆质谱分析仪监测预选的离子碎片（m/z），能够实现气体产物的实时检测。然而，电子轰击电离（EI）通常会导致严重的分子碎片化，从而阻碍了对复杂有机物种的可靠鉴定。此外，在线MS本质上局限于少量预定义的m/z数值，更适合用于已知气体的定向分析，而并非未知化合物的探索。相比之下，在线GC-MS在质谱分析之前，先通过GC色谱柱对挥发性分解产物进行分离。这种分离过程不仅能够减少谱图的信号重叠，还能保留分析物的分子特征。通过结合保留时间信息与特征碎片化模式，并与标准质谱数据库进行比对，GC-MS能够对多种复杂有机化合物（包括电解液分解过程中产生的未知物种）进行准确且无歧义的鉴定。　　　　图2.高电压充电下的环醚类中间产物的实时分离与定量分析。　　　　图3.热失控条件下的气体演化分析(a)在程序升温过程中，利用 OP-MS获取三种样品构型（纯 PEO、PEO+Li 金属、PEO+LiCoO2）中 H2、CO2、O2 的随温度变化的产气速率曲线。依据关键温度阈值，热分解过程可大致划分为三个阶段：阶段 I（25–80 °C）、阶段 II（80–218 °C）与阶段 III（≥218 °C）。(b)采用 OP-GC-MS表征纯 PEO、PEO+Li 与 PEO+LCO 体系在热分解过程中环氧乙烷、二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环与1,4-二氧六环的随温度变化的生成曲线。(c)比较三种体系中环醚中间体的温度依赖生成量与累积生成量。左图（点线图）展示程序升温下四种环醚的生成量随温度的变化，数据来自 OP-GC-MS，每个数据点为基线校正后的 TIC 峰面积，反映各中间体的热生成动力学；右侧内嵌图（柱状图）在升温结束温度处对三种样品的四种环醚累积生成量进行对比，亦以基线校正的 TIC 峰面积表示。　　研究团队以在线 GC-MS 与 OP-MS/OP-GC-MS 的组合，首次在电化学与热失控两种工况下，系统描绘了 PEO 基聚合物电解质的“分解—中间体—终产物”全链路：在高电压充电过程中，在线 GC-MS 精确认定环氧乙烷、二氧戊环、2-甲基-1,3-二氧戊环与 1,4-二氧六环等环醚中间体，并呈现随充电推进而持续累积的动力学特征，揭示了聚合物链段的逐步断链与重排；在热场下，OP-MS/OP-GC-MS 显示 PEO 与金属锂接触会放出 H2，而 LCO 存在时晶格释氧（S-III 阶段）显著加速链段裂解与气体生成，且环醚产量以 LCO 界面最高。由此可见，抑制高压下环醚路径与限制正极释氧、弱化 Li 接触引发的放氢，是提升聚合物电解质与电极/电解质界面稳定性的关键方向，也为后续材料分子设计与界面工程提供了明确的技术抓手。　　2.硫化物基全固态锂离子电池的气体演化分析　　　　第一作者：涂文彬，赵永辉　　通讯作者：乔羽*，张力*，宁子杨*，张海棠*　　单位：厦门大学，宁德时代　　硫化物基全固态电解质因其超高的锂离子电导率和优异的可塑性受到广泛的关注和研究，其采用高镍阴极材料的全固态锂离子电池因高比容量和优异的安全性而成为最有前途的二次电池候选者。然而，硫化物固态电解质与高镍阴极之间不稳定的固-固界面而引发的有害副反应导致电池容量的快速衰退，严重阻碍了其商业化应用。因此，研究清楚固-固界面副反应机制及影响因素，提出可能的应对办法，将有效促进高比能硫化物基全固态电池的商业化应用。团队通过原位质谱技术系统地研究了使用高镍阴极的硫化物基全固态锂离子电池在电化学过程和热失控场景中的气体演化行为。深入研究了硫化物固态电解质的本征稳定性、工作温度以及电池制造参数对固体-固体界面降解机制的影响。在电化学循环过程中，主要的气态副产物是H2S、O2、CO2和SO2。热失控条件还会额外生成硫的同素异形体（Sx），这挑战了硫化物基系统绝对安全的传统假设。本研究为开发更长寿命、更安全的高比能硫化物基全固态电池提供了关键的评估方法和高性能电解质和正极材料的合理设计。　　　　图1.硫化物全固态锂离子电池（SSLIB）界面副反应产物。采用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对基于Li7P7S11（LPS）的SSLIBs进行固态副产物测量，表明主要固态副产物是亚硫酸盐和亚磷酸盐（图1a）。为测量SSLIBs的气态副产物演化行为，作者原创性的设计了如图1b所示的气路和固态电池产气测试模具。其测试结果如图1c所示，主要副产物为H2S、O2、CO2和SO2。　　　　图2.采用 LPS 与 LPSCl 组装的全固态锂离子电池（SSLIBs）的产气行为。　　　　图3.运行参数与制备工艺对 SSLIBs 中 SO2 生成的影响。(a)在不同温度（45 与 60 °C）下的恒流充放电曲线及其对应的实时放气行为；内嵌图显示 O2 的总量与 SO2 的峰面积。(b)在不同制备压力（30 与 50 MPa）下、运行温度为 60 °C 条件下的恒流充放电曲线及其对应的实时放气行为；内嵌图同样给出 O2 的总量与 SO2 的峰面积。　　　　图4.正极形貌对 SSLIBs 中 SO2 生成的影响。　　　　图5.热失控条件下的气体演化分析。　　研究团队系统研究表明，高活性 On-/O2会攻击硫化物固体电解质（SSE），引发固–固界面快速降解；以SO2作为界面副反应的关键指示气体，可对运行参数与工艺路线进行量化评估，并得到如下可执行要点：　　1.本征稳定性优先：相较 LPS，LPSCl化学稳定性更高、在同条件下不产生 SO2；提升 SSE 稳定性或通过正极工程抑制 On-/O2 生成，可显著减轻界面副反应。　　2.温度权衡：升温虽可增益容量，但副反应同步放大、衰减加快；需谨慎抬温。　　3.压力取舍：更高压实提升容量的同时加剧 SO2 与界面反应；不宜盲目增压，可辅以适量粘结剂保障接触与稳定性。　　4.形貌工程：单晶 NCM与 SSE 接触更致密、减少气–固反应空间，抑制 SO2；优选合适粒径的单晶正极以稳界面。　　5.热失控警示：极端条件下仍可能生成SO2 与气态 Sx，需精确管理热失控以避免灾难性失效。所用 DEMS/OP-MS 可定量解析气体演化、提供缓解策略，为下一代高安全/高比能固态电池的材料工程与设备优化提供关键指导。　　【总结展望】　　本文系统梳理了厦门大学乔羽教授与宁德时代联合团队在电池产气研究中的新思考，即“器件工况化—色谱精细化—固态电池化”三方面的最新进展：在器件层面，构建 OIE-GC-MS 平台，以间歇取样和 MS/GC-MS 双通道实现对软包电芯长期、非扰动的全维度产气监测；在分子层面，在线GC-MS精细解析 PEO 体系的环醚中间体与热分解阶段，明确高压与热场下的关键路径与演变特征；在固态层面，面向硫化物 SSE 的 DEMS 实验量化 O2/SO2 演化，将 SO2作为界面副反应的指示气体，并验证 LPSCl 的本征稳定性及温度、压力、正极形貌等参数对界面行为的影响。据此，研究团队从机理与器件两端建立了产气与性能衰退的关联，并提出材料与电解质/界面优化等可执行思路。展望未来，研究将沿上述三条方向持续推进，形成可量化、可比对的评价体系，服务材料筛选、工艺优化与电池健康评估，支撑高比能电池的安全与寿命提升。　　【文献详情】　　1. Operando Intermittent Extraction Gas Chromatography-Mass Spectrometry Technology for Gaseous Products Analysis of Li-Ion Pouch Cell. http://doi.org/10.1002/aenm.202502378　　2. Tian, Y., Pei, N., Xue, J., Wang, J., Zhang, H., Tu, W., Sun, X., Zhang, P., Qiao, Y.,& Sun, S.-G. In-situ gaseous products analysis of PEO-based polymer electrolyte decomposition. Chemical Science, 2025, DOI: 10.1039/D5SC04442A　　3. Tu, W., Zhao, Y., Xue, J., Tian, Y., Hong, Y., Li, J.-F., Liu, N., Ouyang, C., Zhang, H., Ning, Z., Zhang, L., Qiao, Y.,& Sun, S.-G.(2025). Gas Evolution Analysis of Sulfide-Based All-Solid-State Li-Ion Battery. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02908.　　相关阅读：锂离子电池制备材料/压力测试！锂电池自放电测量方法：静态与动态测量法！　　软包电池关键工艺问题！一文搞懂锂离子电池K值！工艺，研发，机理和专利！软包电池方向重磅汇总资料分享！　　揭秘宁德时代CATL超级工厂！　　搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看！锂离子电池生产中各种问题汇编！　　锂电池循环寿命研究汇总（附60份精品资料免费下载）