大容量钠离子电池热失控机制的多维安全性能评估及其在储能系统中的应用启示

为解决钠离子电池(SIBs)在电网级储能中的热安全问题，中国科学技术大学团队系统研究了185 Ah大容量SIBs在热(500-1000 W)、电(0.5-1C过充)、机械(3-9 mm穿刺)滥用条件下的多维响应。通过同步多参数诊断技术，首次揭示了热失控(TR)传播速率与加热功率的负相关性，发现高功率加热引发即时危险而慢速加热加剧机械风险；识别出H2/CO等7种特征气体动态变化规律；提出过充膨胀力的四阶段演化模型。该研究为SIBs安全设计提供了关键实验依据，发表于《Journal of Energy Storage》。

　　

随着全球能源结构转型加速，钠离子电池(SIBs)因其资源丰富、成本低廉等优势，在电网级储能系统(ESS)中展现出巨大潜力。然而，大容量SIBs在热、电、机械滥用条件下的热失控(TR)行为仍是制约其安全应用的"阿喀琉斯之踵"。与锂离子电池(LIBs)相比，钠离子更大的斯托克斯半径导致电极膨胀力差异显著，但现有研究多集中于小容量圆柱电池，对储能场景所需的185 Ah以上大容量方形电池研究近乎空白。更棘手的是，TR过程中多维参数（温度、气体、应力）的耦合作用机制尚未阐明，这如同"黑箱"般阻碍着安全设计优化。

针对这些挑战，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室团队在《Journal of Energy Storage》发表了突破性研究。研究人员采用同步多参数诊断系统，对商用185 Ah方形SIBs（NaCP73174207-ME185型号）展开三维度测试：热滥用实验设置500/750/1000 W三档加热功率；电滥用采用0.5/0.75/1C倍率过充；机械滥用实施3/6/9 mm三档穿刺。通过红外热成像、气体质谱联用、应力传感器等先进手段，首次实现TR全过程的多维信号捕捉。

多维信号演化
热测试发现TR传播速率与加热功率呈反常负相关：500 W时传播最慢却引发最剧烈机械形变，1000 W虽快速触发TR但结构破坏较轻。这如同"慢火炖肉"效应——缓慢加热使热量深度渗透，导致集流体熔融引发的连锁反应。气体检测捕获H₂/CO/CH₄等7种特征气体，其爆炸极限随TR进程动态演变，其中CO浓度变化可作为早期预警指标。

过充膨胀力四阶段模型
电滥用测试颠覆了传统认知：过充膨胀力呈现"初始下降-首峰上升-拐点相变-二次激增"的四阶段演化。1C快充虽使峰值温度降低28%，但机械应力反增35%，揭示出"快充缓解热积累却加剧机械风险"的矛盾现象。这源于钠离子较大半径导致的特殊嵌脱动力学，与LIBs的单调上升模式形成鲜明对比。

穿刺诱导的TR机制
机械测试显示9 mm穿刺时，正极侧温度骤升至612°C，较背面高189°C，并伴随喷射火焰。不同于LIBs的均匀发热，SIBs短路热量集中分布于穿刺通道，这与其多层并联极片结构相关。高速摄影显示，电解液喷溅形成的"火雨"现象是扩大热危害的主因。

该研究首次构建了大容量SIBs的多维安全评价体系，揭示了三类滥用条件下TR的差异化触发机制。特别是提出的膨胀力四阶段模型和气体爆炸极限动态图谱，为储能系统安全预警提供了量化依据。研究发现方形SIBs的"热-力"耦合效应比圆柱电池更复杂，这指导了电池包结构优化应重点考虑非均匀膨胀约束。尽管当前SIBs的TR剧烈程度低于NCM锂电池，但研究者强调其特有的渐进式热扩散模式可能对模块级热管理提出新挑战。这些成果不仅填补了大容量SIBs安全研究的空白，更为国际电工委员会(IEC)相关标准的制定提供了实验基础，对推进"双碳"目标下的安全储能技术发展具有里程碑意义。