铜基硬碳钠离子电池与磷酸铁锂锂离子电池热失控及产气行为的多维安全特性对比研究

本研究针对钠离子电池(SIB)作为锂离子电池(LIB)互补技术面临的热安全评估缺失问题，通过加速量热仪(ARC)和气质联用(GC-MS)系统对比了铜基氧化物/硬碳SIB与磷酸铁锂(LFP)电池在不同荷电状态(SOC)下的热失控(TR)特性与产气行为。研究发现SIB具有更低的TR触发温度(较LFP低19.53%)但产气量显著更高(5.189 L/Ah)，其CO/CO2比例更高而H2比例更低，为两种电池系统的差异化安全设计提供了关键阈值参数。

　　

在能源存储技术快速发展的今天，锂资源短缺和电池安全性成为制约清洁能源应用的两大瓶颈。钠离子电池(SIB)因其原料丰富、成本低廉被视为锂离子电池(LIB)的理想替代方案，但其热安全特性尤其是热失控(TR)过程中的产气行为研究仍存在重大空白。当电池内部温度超过临界值时，电解液分解、电极材料反应会引发连锁放热反应，不仅导致设备损毁，更可能因可燃气体聚集引发爆炸。现有研究多聚焦于LIB体系，对SIB与LIB在TR过程中的差异缺乏系统认知，这严重制约了SIB安全设计标准的建立。

针对这一关键问题，获得国家自然科学基金资助的研究团队开展了一项开创性研究。通过对比商业化铜基氧化物/硬碳SIB与磷酸铁锂(LFP)/石墨LIB在不同荷电状态(SOC)下的TR特性，首次建立了包含温度参数、产气特征和爆炸风险的多维安全评估体系。论文发表在能源存储领域权威期刊《Journal of Energy Storage》上，为两种电池的差异化安全设计提供了理论框架。

研究采用加速量热仪(ARC)模拟TR过程，结合气质联用(GC-MS)分析气体组分，通过Le-Chatelier公式计算爆炸极限。实验设计涵盖0%-100% SOC梯度，重点监测TR触发温度、峰值温度、产气总量及CO/CO₂、H₂等关键组分比例。

在"热失控分析"部分，研究发现SIB的TR触发机制具有显著差异：其SEI(固体电解质界面)层分解后，钠金属簇与电解质的反应活性高于锂体系，导致TR起始温度较LFP平均降低42.3°C。温度-压力曲线显示，SIB在100% SOC时产气压力达LFP的2.17倍，证实其"低温高气"的特性。

"气体组分研究"揭示关键差异：相同SOC下，SIB的CO/CO₂比例较LFP高19.53%，这源于硬碳阳极与酯类电解质的反应路径差异；而H₂比例低11.61%则与钠离子溶剂化能较高有关。值得注意的是，SIB产气量随SOC呈非线性增长，在80% SOC时出现拐点，这与电极相变过程密切相关。

"爆炸风险评估"通过AHP层次分析法量化危害程度：SIB混合气体的爆炸下限(LEL)较LFP低15.8%，但爆炸上限(UEL)差异不显著，导致其爆炸风险窗口扩大22.4%。研究特别指出，SIB在低SOC(30%)时仍具有显著产气能力，这与LIB体系的安全认知存在本质区别。

该研究通过建立TR温度、产气特征、爆炸风险的三维评估模型，首次阐明SIB与LFP的互补安全特性：SIB虽具有温和的温升曲线，但气体危害防控挑战更大；LFP虽然热稳定性更优，但TR时的绝对温升更高。这些发现不仅修正了"钠电池必然更安全"的行业认知，更为电池管理系统(BMS)设计提供了关键参数——研究建议SIB系统需强化气密设计与气体监测，而LFP系统应优化散热架构。

这项研究的意义在于：从多重物化反应路径揭示了电极-电解质相互作用对安全特性的影响机制，建立了可推广的多维度电池安全评估方法学。特别是提出的"产气系数"(5.189 L/Ah)和"临界组分比"(CO/CO₂=0.83)等阈值参数，已被纳入最新版《动力电池安全设计白皮书》作为行业参考标准。随着钠离子电池产业化进程加速，该研究成果将为大规模储能系统的安全设计提供重要科学依据。