【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈉離子電池作為鋰離子電池的有力補(bǔ)充與潛在替代技術(shù)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為，鈉離子電池在能量密度較低、電極材料熱穩(wěn)定性高的前提下，其安全性應(yīng)當(dāng)優(yōu)于鋰離子電池。然而，青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，這一認(rèn)識(shí)并不完全正確。在常規(guī)電池體系下，鈉離子電池同樣存在顯著的安全隱患，其熱失控風(fēng)險(xiǎn)甚至高于鋰離子電池。根源在于硬碳負(fù)極中形成的準(zhǔn)金屬態(tài)高活性鈉簇，可誘發(fā)電解液劇烈分解并觸發(fā)熱失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)圍繞“問(wèn)題發(fā)現(xiàn)−機(jī)理揭示−策略調(diào)控”的邏輯主線，提出并驗(yàn)證了包括隔膜改性、電解液體系調(diào)控以及固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)筑在內(nèi)的多維度安全優(yōu)化方案，并發(fā)展了高安全聚合物基固態(tài)鈉電池的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了從熱失控機(jī)理認(rèn)識(shí)到安全性本征提升的系列進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)多尺度表征與理論計(jì)算系統(tǒng)揭示了鈉離子電池?zé)崾Э氐奈⒂^起源。結(jié)果表明，在硬碳負(fù)極中，鈉離子在常規(guī)鈉化過(guò)程中不僅以離子態(tài)形式嵌入碳結(jié)構(gòu)，還會(huì)生成被認(rèn)為具有“準(zhǔn)金屬”特征的鈉簇。相比之下，鋰離子在鋰離子電池石墨負(fù)極中以穩(wěn)定的層間嵌入態(tài)存在，分布均勻、電子密度分布穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，這些鈉簇的化學(xué)狀態(tài)更接近金屬鈉，通常直徑僅為1−2 nm，其形成與分布受硬碳孔隙結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)基團(tuán)及局部電子環(huán)境的協(xié)同影響。納米尺度使其表面原子比例顯著提高，表面能遠(yuǎn)高于體相鈉金屬；重要的是，團(tuán)隊(duì)通過(guò)固態(tài)核磁弛豫技術(shù)首次捕捉到硬碳中鈉簇轉(zhuǎn)瞬即逝的弛豫信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在費(fèi)米能級(jí)附近具有比鈉金屬更高的電子密度，這意味著鈉簇并不是傳統(tǒng)認(rèn)知的“準(zhǔn)金屬”態(tài)，而更應(yīng)該成為“強(qiáng)金屬”態(tài)。
結(jié)合絕熱量熱測(cè)試結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)電子富集效應(yīng)顯著增強(qiáng)了鈉簇的化學(xué)反應(yīng)活性，在極端條件下易誘發(fā)快速氧化還原反應(yīng)，釋放大量熱量并加速電解液分解與氣體生成，形成正反饋的熱失控鏈條(圖1)。此外，鈉簇間可能存在電子耦合與遷移行為，進(jìn)一步加劇反應(yīng)的空間非均勻性，導(dǎo)致局部過(guò)熱甚至形成“熱點(diǎn)”，成為熱失控的微觀起點(diǎn)(Energy Environ. Sci.2025, 18, 2474；Adv. Energy Mater.2025, 15, e03209)。
圖1(a)硬碳中鈉簇形態(tài)(b)不同SOC下硬碳負(fù)極放熱行為演變(c)硬碳負(fù)極熱失控機(jī)理的流程圖(d)20 Ah鈉離子電池的熱安全潛在危險(xiǎn)
基于微觀機(jī)理的揭示，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了安時(shí)級(jí)鈉離子電池的系統(tǒng)化熱安全評(píng)估。結(jié)果顯示，鈉離子電池在安時(shí)級(jí)電芯測(cè)試中，其自產(chǎn)熱起始溫度普遍低于同類(lèi)型鋰離子電池，表明其更易發(fā)生熱失控。這一宏觀測(cè)試結(jié)果與微觀機(jī)理分析高度一致，驗(yàn)證了鈉簇在熱失控觸發(fā)與演化過(guò)程中的關(guān)鍵作用，進(jìn)一步表明鈉離子電池存在被低估的熱失控安全風(fēng)險(xiǎn)。
需要指出的是，新型電池的應(yīng)用，尤其在新興領(lǐng)域，需要充分認(rèn)識(shí)電池的失控行為。當(dāng)前，鈉電正處于向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)刻，硬碳仍然是目前產(chǎn)業(yè)化最可行的負(fù)極材料。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及能量密度的提升，深刻理解其熱安全背后的物化本質(zhì)顯得尤為重要，以便有效防控，確保健康發(fā)展。
針對(duì)熱失控問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)圍繞“源頭削弱”與“路徑阻斷”兩大思路，提出并驗(yàn)證了多維度安全調(diào)控策略。其中，通過(guò)采用多功能聚酰亞胺(PI)隔膜構(gòu)筑熱響應(yīng)性阻燃層，可在電池溫升過(guò)程中原位形成隔離阻燃屏障，實(shí)現(xiàn)自抑制反應(yīng)并顯著延緩熱擴(kuò)散。同時(shí)，PI隔膜可調(diào)控納離子溶劑化結(jié)構(gòu)，促進(jìn)穩(wěn)定的電極/電解液界面形成，降低界面副反應(yīng)的發(fā)生(ACS Energy Lett.2025, 10, 3941)。該策略在安時(shí)級(jí)電芯中表現(xiàn)出優(yōu)異的熱安全性能：自產(chǎn)熱起始溫度提升約10 ℃，熱失控觸發(fā)溫度提升約24 ℃，顯著延緩熱失控傳播，并首次實(shí)現(xiàn)鈉離子電池在90 ℃極端溫度下的穩(wěn)定運(yùn)行。在電解液方面，團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入功能性添加劑二氟二草酸磷酸鈉，在負(fù)極界面構(gòu)筑了熱穩(wěn)定、抗溶解的界面結(jié)構(gòu)，降低鈉簇活性與副反應(yīng)速率，從根本上削弱熱失控的觸發(fā)條件，顯著提升了電池的高溫循環(huán)穩(wěn)定性與安全性(Adv. Sci.2025, 12, 2502860)。
進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)提出以聚合物固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)液態(tài)體系的固態(tài)鈉電池技術(shù)路線，發(fā)展了基于共熔化學(xué)的電極/電解質(zhì)一體化融合新策略，結(jié)合干濕法制膜工藝以及化成−原位聚合耦合技術(shù)，搭建了全鏈條電池制造平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)100−140 Wh kg−1系列型號(hào)固態(tài)鈉電芯的工藝定型，完成在電動(dòng)兩輪車(chē)、離網(wǎng)智慧微電網(wǎng)系統(tǒng)的示范應(yīng)用。最近，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了基于二次聚合的電池安全自防護(hù)技術(shù)。當(dāng)溫度超過(guò)120 ℃時(shí)，原位聚合固態(tài)電解質(zhì)中的異氰酸酯和脲交聯(lián)，阻斷氣、液物質(zhì)在正負(fù)極之間串?dāng)_，熱失控溫度延遲40 ℃以上(Nat. Commun.2025, 16, 2979)。
該系列研究揭示了鈉離子電池?zé)崾Э氐莫?dú)特起源機(jī)制，顛覆了“鈉電更安全”的傳統(tǒng)認(rèn)知，建立了從微觀機(jī)理解析到體系級(jí)安全調(diào)控的完整研究框架。相關(guān)成果為鈉離子電池的本征安全設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)與實(shí)踐路徑，對(duì)推動(dòng)新一代高安全儲(chǔ)能體系的發(fā)展具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
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