在通风条件下的袋装钠离子电池的充电状态依赖性排气特性及外部燃烧特性

《Process Safety and Environmental Protection》：State-of-charge-dependent venting and external combustion characteristics of pouch sodium-ion batteries under open-ventilated conditions

　　**摘要**
在袋装钠离子电池（SIBs）中，排气产物从非燃烧释放转变为持续外部燃烧的转变机制仍不完全清楚。本研究对21 Ah容量的袋装SIBs在0–100%的充电状态（SOC）下进行了热虐待测试，测试条件包括有无外部点火源。通过量化温度、电压、排气量、可见烟雾/气溶胶释放量、气体浓度、火焰行为、质量损失和热量释放，以识别与SOC相关的危险模式。在没有外部点火的情况下，任何SOC下均未发生自发性火焰；50–100% SOC的电池从排气发展为热失控，而0–25% SOC的电池仅发生排气现象，未达到热失控的标准。在有外部点火的情况下，50%、75%和100%的SOC水平下观察到了持续燃烧，但0%和25%的SOC下则没有。值得注意的是，在达到热失控标准之前就发生了持续的外部燃烧。SOC从50%增加到100%时，峰值热量释放率从15.6 kW增加到48.5 kW，燃烧持续时间从104秒缩短至28秒，这表明存在SOC依赖的强度-持续时间权衡。尽管峰值强度较低，但50% SOC情况下的累积投影火焰暴露量与较高SOC情况下相当。测试条件显示了不同的外部危险特征：0%和25% SOC下为非燃烧排气，50% SOC下为低强度和长持续时间的燃烧，75%和100% SOC下为短持续时间和高强度的燃烧。从过程安全的角度来看，这些不同的后果模式为基于实验的SOC依赖危险识别提供了依据，并支持为新兴的SIB系统制定风险管控下的气体检测、通风、热隔离和防火策略。

**引言**
向低碳能源系统的转型以及大规模储能技术的快速部署，增加了对安全、低成本且资源可持续的可充电电池的需求（Qin等人，2025年；Ngoy等人，2025年；Hasan等人，2021年）。锂离子电池（LIBs）被广泛应用于电动交通、便携式电子设备和储能系统中（Xu等人，2024a年；Jia等人，2025年；Urquizo和Singh，2023年）。然而，锂资源的分布不均和价格波动，加上电网级储能的可持续性要求，促使人们开发了替代的电化学储能技术。钠离子电池（SIBs）是最有前途的候选者之一，因为钠资源丰富且分布广泛，原材料成本可能较低，并且大部分现有的电池制造基础设施可以继续使用（Sandri等人，2026年；Vaalma等人，2018年；Zhou等人，2024年）。层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物和硬碳负极的最新进展，使SIBs从实验室研究走向工程演示和早期商业应用（Abraham，2020年）。因此，随着SIBs向实际应用迈进，安全研究必须超越单一材料的热稳定性，扩展到完整电池在真实操作条件下的后果特征和过程安全评估。

尽管SIBs通常被认为具有较好的热稳定性（Zhou等人，2021年；Samigullin等人，2022年），但其故障行为与LIBs有共同之处（Velumani和Bansal，2022年；Wang等人，2024a年）。这两种系统都含有易燃的有机电解质，在过热、过充、机械损伤或内部短路时可能发生界面分解、电解质蒸发和开裂、电极-电解质副反应、气体生成和快速热量释放。这些过程最终可能导致排气、喷射、火灾或爆炸（Ouyang等人，2026a年；Yang等人，2025年）。Ping等人（2025年）报告称，NFM SIBs的整体热失控风险介于NCM和LFP LIBs之间，气体组成相似且存在明显的爆炸危险。Amano等人（2025a年）表明，层状氧化物18650 SIBs和LIBs都会发生排气、压力上升和热失控（TR），能量释放规模相当。Zhang等人（2026年）进一步发现，高容量CFM SIBs的热失控起始温度更低，排气到失控的间隔更短，爆炸范围也比LFP电池更广。这些发现表明，SIBs在资源和成本上的优势并不能使其被视为本质上低火灾风险的设备。其故障可能包括热诱导的排气，随后在释放产物遇到适宜的混合和点火条件时发生外部燃烧或爆炸。

现有的关于SIB热失控的研究主要集中在三个领域。首先研究材料和界面热稳定性，包括硬碳负极、层状氧化物正极、电解质配方以及电极-电解质反应对自发热起始、热量释放强度和失控倾向的影响（Samigullin等人，2022年；Xie等人，2018年；Gan等人，2024年；Li等人，2025a年）。其次研究在封闭或半封闭系统中的气体生成和燃烧或爆炸危险，通常使用恒容容器、压力容器或惰性气氛测试来确定排气气体体积、压力响应、气体组成及可燃性或爆炸极限（Bordes等人，2022年）。例如，Amano等人（2025b年）描述了18650 NFM SIBs释放气体的组成和爆炸性，而Zhang等人（2026年）比较了高容量CFM SIBs和LFP电池的气体生成行为和爆炸极限。第三研究商业圆柱形或大规格棱柱形SIBs在外部加热、过充、钉子穿刺或机械虐待下的故障响应。B?ttcher等人（2025年）研究了商业18650 SIBs在惰性气氛和不同SOC下的热虐待行为，而Li等人（2025b年）研究了185 Ah棱柱形SIBs在不同SOC下的TR、排气和喷射现象。相关测试还评估了大容量棱柱形SIBs在热、电和机械虐待下的性能（Yang等人，2025年）。这些研究建立了SOC如何影响TR起始、气体生成和故障严重程度的关系。基于这些知识，一个重要的问题是降低SOC是否同样能减少峰值火灾强度、燃烧持续时间和累积火焰范围。排气产物释放后通过与空气的混合、稀释和分散与空气相互作用，并可能在遇到点火源时维持外部燃烧（Nilsson等人，2023年；Wang等人，2023年）。因此，其后果需要考虑燃烧的幅度和持续时间，以及气体和烟雾/气溶胶的排放（Wang等人，2023年；Rappsilber等人，2023年；Xu等人，2024b年）。

热失控火灾排放不仅限于气体产物。对LIB火灾的研究还发现了化学复杂的颗粒物、烟雾、气溶胶和固体残留物，其中含有碳质物质、金属和金属氧化物、无机盐、有机化合物以及电解质分解或不完全燃烧的产物（Li等人，2024年；Zhang等人，2019年；Premnath等人，2022年；Barone等人，2021年；Bustin等人，2023年；Claassen等人，2024a年；Claassen等人，2024b年）。SIBs也含有有机电解质和多种金属元素，这使得烟雾/气溶胶的释放及其潜在的遮蔽性、毒性和环境影响成为重要的安全问题（Xu等人，2024b年；Held等人，2022年）。同时，释放的气体、电解质蒸气和气溶胶在电池事故中可以起到双重作用：在没有点火的情况下，它们构成非燃烧排放危险；而其可燃成分可以为外部点火和持续燃烧提供燃料（Nilsson等人，2023年；Held等人，2022年）。从过程安全的角度来看，在评估电池故障的后果时，必须同时考虑非燃烧排放和持续外部火灾。开口通风测试允许排气产物与周围空气混合，为比较排放行为和外部点燃燃烧提供了共同的实验环境。通过测量气体和气溶胶的释放量、热量释放、质量损失和火焰演变，可以将点火结果与火灾的强度和持续时间联系起来。

袋装电池因其包装质量轻、空间利用率高、模块配置灵活、热传递路径短而被广泛用于牵引电池、便携式电源和模块化储能系统，它们也可能成为SIBs工程应用的重要包装形式（Lin等人，2022年）。气体抽取和安全阀配置可以影响大规格电池的热失控行为，其效果取决于虐待条件（Ouyang等人，2026b年）。与具有专用安全阀的硬壳电池不同，袋装电池通常通过密封件破裂或其他局部薄弱区域的破坏来释放压力，因此释放位置和方向受变形和密封完整性影响（Wang等人，2024b年）。这些结构差异可以改变易燃混合物的形成和分散、外部点燃的概率、火焰的空间范围以及相邻电池的热暴露（Zou等人，2022年；Gagnon等人，2023年）。虽然针对袋装LIBs的研究表明包装结构、SOC和外部点火条件强烈影响排气、喷射火焰形态和燃烧强度（Wang等人，2024b年；Zou等人，2022年；Gagnon等人，2023年），但针对袋装SIBs的相关证据仍然有限。因此，有必要比较SOC如何影响持续燃烧的发生以及峰值火灾强度、燃烧持续时间和累积投影火焰面积之间的关系。

**研究方法**
本研究调查了21 Ah容量袋装SIBs在开放通风条件下不同SOC下的外部危险特性。热虐待测试包括有无外部点火的情况，结合了温度、电压、气体和气溶胶排放、质量损失、热量释放和火焰演变的测量。主要贡献在于展示了SOC依赖的外部危险行为差异是如何由燃烧发生、燃烧强度和持续时间综合作用引起的。特别是，50% SOC时的较低峰值火灾强度伴随着较长的燃烧时间，而其累积投影火焰面积与较高SOC下的情况相当。0%和25% SOC下的非燃烧情况仍然有可测量的排放。这些发现表明，仅仅降低峰值火灾强度并不能完全描述降低SOC的后果，并为气体/烟雾检测、通风和热保护策略提供了实验依据。

**电池参数**
本研究使用的电池为Zhongna Energy Technology Co., Ltd.制造的商用Na-FSS12141240E钠离子袋装电池。正极材料为NaxFey(SO4)x/2+y(NFS)。每个电池的标称容量为21 Ah，标称电压为3.6 V，质量为700 ± 10 g。电池尺寸为240 ± 3 mm × 140 ± 3 mm × 11.8 ± 0.3 mm。测试前，每个新电池使用Neware电池循环器以0.5 C的电流放电至2.6 V，相当于0% SOC，然后以0.5 C的电流充电至4.2 V。

**结论**
本研究调查了21 Ah容量袋装SIBs在开放通风条件下SOC如何控制外部危险模式。热虐待测试覆盖了0-100%的SOC范围，包括有无外部点火源的情况，从而可以在统一框架内评估非燃烧排气、持续燃烧和火灾后果。主要结论如下：
(1) 在没有外部点火的情况下，任何SOC下均未发生自发性火焰。50–100% SOC的电池经历了密封件破裂排气、热失控（TR）和冷却过程。

**作者贡献声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了广东省科技计划（编号2024B1111080001）的支持。