優(yōu)秀論文｜運(yùn)用熱-氣聯(lián)用分析法揭示鈉離子電池從材料到電池層級(jí)的熱穩(wěn)定性

更新時(shí)間：2025-06-06 | 點(diǎn)擊率：1321

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王青松教授團(tuán)隊(duì)在Journal of Energy Chemistry（IF：14）發(fā)表題為Revealing the thermal stability of sodium-ion battery from material to cell level using combined thermal-gas analysis論文，該成果由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、安徽省應(yīng)急管理研究院、中國科學(xué)院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室和山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院等機(jī)構(gòu)聯(lián)合支持。

鈉離子電池（SIBs）作為新型儲(chǔ)能電池，其熱穩(wěn)定性對(duì)電池安全性及應(yīng)用前景至關(guān)重要。本研究利用多種材料組合，深入探究了鈉離子電池中正極材料（Na_xNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂，NFM111）和負(fù)極材料（硬碳，HC）的熱生成和產(chǎn)氣特性，并借助微觀和宏觀表征技術(shù)，闡明了電池在加熱過程中電極材料的潛在反應(yīng)機(jī)制。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)NFM/HC材料組合多層次的熱安全理解，研究采用了特定的技術(shù)路線對(duì)鈉離子電池從材料到電池層級(jí)的熱穩(wěn)定性進(jìn)行深度剖析。具體包括：

從微觀角度研究正負(fù)極材料在加熱過程中的結(jié)構(gòu)和成分演變，通過SEM、高分辨率TEM（HRTEM）和原位XPS檢測(cè)負(fù)極表面固體電解質(zhì)界面（SEI）的形貌及分解過程中的成分變化；
利用XRD測(cè)試正極活性材料的相變，探究正負(fù)極宏觀變化與微觀變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；
借助DSC和TG-IR-MS儀器分析微觀變化過程中的產(chǎn)熱和產(chǎn)氣行為，獲取電池材料完整的熱行為；
對(duì)NFM/HC軟包電池進(jìn)行ARC實(shí)驗(yàn)，確定其熱失控路徑，并完成對(duì)電池?zé)崾Э剡^程特征參數(shù)的分析。

本研究技術(shù)路線

在ARC實(shí)驗(yàn)部分，研究團(tuán)隊(duì)選用仰儀科技絕熱加速量熱儀TAC-500A進(jìn)行測(cè)試。該儀器能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下精確模擬電池潛在的熱失控過程，憑借優(yōu)異的絕熱跟蹤性能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電池在絕熱環(huán)境中的自加熱行為及壓力變化。儀器具有快速響應(yīng)、高靈敏度和測(cè)量精確等優(yōu)勢(shì)，能完整獲取熱失控全過程的熱力學(xué)參數(shù)，基于這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確計(jì)算出T_D24、TM_Rad、SADT 等關(guān)鍵熱安全指標(biāo)，為電池?zé)岚踩栽u(píng)估提供可靠依據(jù)。

仰儀科技絕熱加速量熱儀TAC-500A

本研究中TAC-500A的應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)采用TAC-500A的HWS（加熱-等待-搜尋）模式，對(duì)充電至100%SOC的軟包電池進(jìn)行絕熱熱失控測(cè)試。為確保測(cè)試準(zhǔn)確性，將加熱步驟設(shè)為10°C，等待時(shí)間設(shè)為60min，以此保證電池與ARC測(cè)試腔溫度一致。通過這一嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)過程，成功獲取了NFM/HC全電池體系在絕熱熱失控過程中的三個(gè)關(guān)鍵特征參數(shù)：

自放熱起始溫度（T_onset）：研究結(jié)果顯示，該電池的自放熱起始溫度為97.93°C。在此溫度點(diǎn)，SEI膜顯著分解，電解液溶劑直接接觸陽極，引發(fā)放熱反應(yīng)。當(dāng)熱電偶檢測(cè)到溫度上升速率≥0.02°C/min時(shí)，電池便進(jìn)入自熱階段。
熱失控起始溫度（T_tr）：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該電池?zé)崾Э仄鹗紲囟仍?24.03°C。此時(shí)，電池溫度上升速率達(dá)到1°C/s，內(nèi)部壓力接近閾值。一旦超過電池外殼的承載能力，外殼就會(huì)破裂，釋放出高溫電解液蒸汽等反應(yīng)氣體，導(dǎo)致溫度略有下降。
熱失控最高溫度（T_max）：隨著電池?zé)崾Э丶觿?，電池材料間反應(yīng)愈發(fā)劇烈，溫度從T_tr（dT/dt≥1°C/s）迅速攀升至最高溫度403.6°C（T_max）。

部分研究成果展示

結(jié)論

本研究還取得其他成果：

運(yùn)用表面分析和原位加熱XPS技術(shù)，研究正極的結(jié)構(gòu)演變和負(fù)極的鈉演化過程，發(fā)現(xiàn)正極在加熱過程中發(fā)生顯著相變并伴有氧氣釋放，負(fù)極上SEI大量降解導(dǎo)致Na₂CO₃ 和 Na₂O 形成，且在負(fù)極加熱過程中觀察到金屬鈉出現(xiàn)；
通過DSC測(cè)試探究電池材料熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)正極與電解液反應(yīng)放熱焓值居于各測(cè)試組合shou位。負(fù)極與電解液反應(yīng)中，SEI 破壞后，電解液會(huì)與負(fù)極和金屬鈉劇烈反應(yīng)，正極產(chǎn)氧行為使正極 - 電解液組合在高溫下產(chǎn)生CO₂，負(fù)極、金屬鈉與電解液的還原反應(yīng)生成CO、C₂H₄和H₂。

綜上所述，本研究成果為鈉離子電池?zé)岚踩栽u(píng)估提供了全面的數(shù)據(jù)支持，有助于科研人員深入剖析電池?zé)崾Э貦C(jī)制，為后續(xù)改進(jìn)電池設(shè)計(jì)、優(yōu)化材料選擇奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

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