優秀論文｜運用熱-氣聯用分析法揭示鈉離子電池從材料到電池層級的熱穩定性

2025-04-30 09:15:16 53閱讀次數

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中國科學技術大學王青松教授團隊在Journal of Energy Chemistry（IF：14）發表題為Revealing the thermal stability of sodium-ion battery from material to cell level using combined thermal-gas analysis論文，該成果由中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室、安徽省應急管理研究院、中國科學院物理研究所北京凝聚態物理國家實驗室和山東科技大學安全與環境工程學院等機構聯合支持。

鈉離子電池（SIBs）作為新型儲能電池，其熱穩定性對電池安全性及應用前景至關重要。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）和負極材料（硬碳，HC）的熱生成和產氣特性，并借助微觀和宏觀表征技術，闡明了電池在加熱過程中電極材料的潛在反應機制。

為實現對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路線對鈉離子電池從材料到電池層級的熱穩定性進行深度剖析。具體包括：

從微觀角度研究正負極材料在加熱過程中的結構和成分演變，通過SEM、高分辨率TEM（HRTEM）和原位XPS檢測負極表面固體電解質界面（SEI）的形貌及分解過程中的成分變化；
利用XRD測試正極活性材料的相變，探究正負極宏觀變化與微觀變化的內在關聯；
借助DSC和TG-IR-MS儀器分析微觀變化過程中的產熱和產氣行為，獲取電池材料完整的熱行為；

對NFM/HC軟包電池進行ARC實驗，確定其熱失控路徑，并完成對電池熱失控過程特征參數的分析。

本研究技術路線

在ARC實驗部分，研究團隊選用絕熱加速量熱儀TAC-500A進行測試。該儀器能夠在實驗室條件下精確模擬電池潛在的熱失控過程，憑借優異的絕熱跟蹤性能，可實時監測并記錄電池在絕熱環境中的自加熱行為及壓力變化。儀器具有快速響應、高靈敏度和測量精確等優勢，能完整獲取熱失控全過程的熱力學參數，基于這些實驗數據，可準確計算出T_D24、TM_Rad、SADT 等關鍵熱安全指標，為電池熱安全性評估提供可靠依據。

絕熱加速量熱儀TAC-500A

本研究中TAC-500A的應用

研究團隊采用TAC-500A的HWS（加熱-等待-搜尋）模式，對充電至100%SOC的軟包電池進行絕熱熱失控測試。為確保測試準確性，將加熱步驟設為10°C，等待時間設為60min，以此保證電池與ARC測試腔溫度一致。通過這一嚴謹的實驗過程，成功獲取了NFM/HC全電池體系在絕熱熱失控過程中的三個關鍵特征參數：

自放熱起始溫度（T_onset）：研究結果顯示，該電池的自放熱起始溫度為97.93°C。在此溫度點，SEI膜顯著分解，電解液溶劑直接接觸陽極，引發放熱反應。當熱電偶檢測到溫度上升速率≥0.02°C/min時，電池便進入自熱階段。
熱失控起始溫度（T_tr）：實驗數據表明，該電池熱失控起始溫度在124.03°C。此時，電池溫度上升速率達到1°C/s，內部壓力接近閾值。一旦超過電池外殼的承載能力，外殼就會破裂，釋放出高溫電解液蒸汽等反應氣體，導致溫度略有下降。
熱失控最高溫度（T_max）：隨著電池熱失控加劇，電池材料間反應愈發劇烈，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

結論

本研究還取得其他成果：

運用表面分析和原位加熱XPS技術，研究正極的結構演變和負極的鈉演化過程，發現正極在加熱過程中發生顯著相變并伴有氧氣釋放，負極上SEI大量降解導致Na₂CO₃ 和 Na₂O 形成，且在負極加熱過程中觀察到金屬鈉出現；
通過DSC測試探究電池材料熱穩定性，發現正極與電解液反應放熱焓值居于各測試組合首位。負極與電解液反應中，SEI 破壞后，電解液會與負極和金屬鈉劇烈反應，正極產氧行為使正極 - 電解液組合在高溫下產生CO₂，負極、金屬鈉與電解液的還原反應生成CO、C₂H₄和H₂。