電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道
在全球能源結(jié)構(gòu)向清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型的背景下，動(dòng)力電池成為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心支撐，鋰離子電池雖占據(jù)主流市場，卻面臨鋰資源短缺、低溫性能不佳等瓶頸。鈉離子電池憑借鈉資源地殼豐度是鋰的1000倍以上、-20℃低溫環(huán)境下容量保持率超90%、理論成本較鋰電低30%的顯著優(yōu)勢，成為鋰電重要補(bǔ)充方案，在低速電動(dòng)車、儲(chǔ)能電站等場景展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。

但鈉離子電池的安全性能驗(yàn)證仍不充分，內(nèi)短路引發(fā)的熱失控風(fēng)險(xiǎn)成為其商業(yè)化落地的關(guān)鍵阻礙，近期一項(xiàng)針對鈉離子電池內(nèi)短路模型的系統(tǒng)性研究，不僅厘清了其短路發(fā)熱規(guī)律，更找到了提升安全性能的有效路徑，為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐。

內(nèi)短路是電池機(jī)械濫用下熱失控的根本原因，國家出臺的電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域電池安全強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，均對擠壓、針刺等易引發(fā)內(nèi)短路的測試提出嚴(yán)格要求。鋰離子電池的四種內(nèi)短路模型已被廣泛研究，而鈉離子電池雖與鋰電結(jié)構(gòu)類似，卻因主材、輔材差異，在短路表現(xiàn)上存在明顯不同。

研究團(tuán)隊(duì)采用1Ah級軟包鈉離子電池，通過缺孔擠壓試驗(yàn)方案模擬正負(fù)極集流體短路、負(fù)極材料與正極集流體短路等四種內(nèi)短路模型，精準(zhǔn)捕捉了不同短路方式下的電壓、溫度變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈉離子電池最危險(xiǎn)的短路方式為負(fù)極硬碳與正極鋁箔接觸的Al-An短路，該模式下短路后50秒內(nèi)電芯溫度從19.1℃飆升至94.6℃，主體溫升達(dá)75.5℃，還出現(xiàn)輕微冒煙現(xiàn)象，拆解后可見隔膜被燒穿9層、正負(fù)極鋁層腐蝕，極易引發(fā)二次放熱反應(yīng)。

為進(jìn)一步明確鈉離子電池的安全特性，研究團(tuán)隊(duì)將其與磷酸鐵鋰、三元體系鋰離子電池在Al-An最嚴(yán)苛短路模型下展開對比，結(jié)果顯示鈉離子電池溫升顯著更高，鋰電磷酸鐵鋰、三元體系溫升分別為50℃、55℃，而鈉電溫升達(dá)75.5℃，熱失控風(fēng)險(xiǎn)更大。

究其原因，鈉離子電池負(fù)極采用的鋁箔集流體，在電導(dǎo)率、導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性上均不及鋰電的銅箔集流體，且硬碳負(fù)極晶格無序?qū)е聦?dǎo)熱系數(shù)低于石墨，鋁箔與硬碳的組合易造成熱量局部累積，同時(shí)鋁箔在短路時(shí)的腐蝕反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇產(chǎn)熱，多重因素導(dǎo)致鈉電在極端內(nèi)短路下的安全表現(xiàn)遜于鋰電。這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了鈉離子電池內(nèi)短路機(jī)制研究的空白，也為針對性提升其安全性能指明了方向。

針對鈉離子電池內(nèi)短路的核心問題，研究團(tuán)隊(duì)從集流體材質(zhì)優(yōu)化入手展開改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，將鈉離子電池負(fù)極傳統(tǒng)12μm鋁箔替換為8μm銅箔，在不改變其他電芯設(shè)計(jì)的前提下，實(shí)現(xiàn)了安全性能的大幅提升。測試顯示，Al-An短路模型下電芯主體溫升從75.5℃降至63.2℃，頂部溫升從47℃降至32℃，短路后銅箔雖有燒灼點(diǎn)但結(jié)構(gòu)完好，有效避免了鋁箔腐蝕引發(fā)的額外放熱，同時(shí)銅箔更高的導(dǎo)熱性加快了熱量擴(kuò)散，顯著提升了電芯熱穩(wěn)定性。

為驗(yàn)證該方案的商業(yè)化可行性，研究團(tuán)隊(duì)采用32700型商業(yè)圓柱鈉離子電池開展針刺測試，按照國標(biāo)要求，傳統(tǒng)鋁箔集流體電芯針刺后全部爆炸，正極側(cè)溫度超460℃，而銅箔集流體電芯三顆平行測試均無起火無爆炸，最高溫度僅100℃，防爆閥泄壓正常，成功通過安全測試，這一成果為鈉離子電池安全設(shè)計(jì)提供了可落地的解決方案。