《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Thermal runaway propagation in cylindrical sodium-ion batteries via radial and axial in-situ high-speed synchrotron radiography
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钠离子电池（SIBs）日益增长的相关性以及对热失控（TR）特性的有限认识，要求提升对其安全性的理解。本研究提出了一种新方法，通过高速同步辐射X射线成像中互补的径向和轴向投影几何，来理解机械滥用（针刺）下SIB电芯中三维TR传播。研究人员对三个SIB电芯和一个锂
钠离子电池（SIBs）日益增长的相关性以及对热失控（TR）特性的有限认识，要求提升对其安全性的理解。本研究提出了一种新方法，通过高速同步辐射X射线成像中互补的径向和轴向投影几何，来理解机械滥用（针刺）下SIB电芯中三维TR传播。研究人员对三个SIB电芯和一个锂离子电池（LIB）参考电芯在完整TR序列中的结构演变进行了表征，并与测试前和测试后的CT分析以及定量逐帧分析进行了比较。结果表明，镍铁锰氧化物（NFM）SIB电芯的TR持续时间（1.47 s–8.80 s）长于镍锰钴氧化物（NMC）LIB电芯（1.15 s–1.33 s），且SIB电芯中未观察到早期的卷芯分层。端子设计被确定为影响失效结果的关键因素，两级电流中断装置（CID）设计导致灾难性爆炸失效，而简化CID则实现了可控排气。这些发现表明，安全行为很大程度上受电芯设计而非仅化学体系的影响，并强调了设计优化在SIB安全开发中的重要性。
**研究背景与问题**
随着电化学储能系统在交通、固定式储能和便携式电子设备中的广泛应用，其安全性、可靠性和失效缓解成为关键挑战。锂离子电池（LIBs）凭借高能量密度和技术成熟度主导市场，但资源可用性、成本和安全性问题促使研究者探索替代化学体系。钠离子电池（SIBs）因钠基材料丰富廉价，具有大规模应用的潜力，但其在滥用条件下的热失控（TR）行为尚未被充分理解。现有SIB热失控研究多依赖外部测量（温度、电压、压力、气体浓度），缺乏对内部结构动态演变的直接观测。传统的单帧成像或事后CT分析无法捕捉TR过程中的快速结构变化。同步辐射X射线成像具有高时空分辨率，但以往研究主要采用单一投影几何（径向或轴向），无法同时解析三维传播机制。本研究旨在结合径向和轴向两种高速同步辐射投影几何，首次实现准三维的TR传播可视化，以揭示SIB电芯在针刺滥用下的内部失效机制。
**研究方法概述**
研究人员在法国欧洲同步辐射设施（ESRF）ID19光束线进行了原位高速X射线成像实验，使用CMOS间接探测器，以10,000帧/秒的帧率、20 μm像素尺寸记录X射线图像。测试了三种商用圆柱形18650 SIB电芯（Highstar NACR18650-130两个批次，分别记为HS13-B1和HS13-B2；Hakadi 18650E-1500，记为HK15）以及一个NMC LIB参考电芯（Samsung INR18650-29E，记为SG29）。所有电芯均在100%荷电状态（SOC）下进行针刺测试，钢钉直径3.2 mm，尖端角度30°，径向投影时刺入速度5 mm/s，轴向投影时1 mm/s。同时记录电压、表面温度和腔体压力（采样率1 kHz）。建立了基于事件的分析框架（E1-E4事件，三个相），并采用结构相似性指数（SSIM）进行逐帧定量分析。此外，对测试前后进行了高分辨率CT扫描以关联结构特征。
**研究结果**
**3.1 TR行为对比概述**：LIB参考电芯（SG29）在径向和轴向投影下表现出相似的电压-时间趋势，TR总持续时间最短（1.15 s和1.33 s）。SIB电芯的TR持续时间更长（1.47 s–8.80 s），且所有SIB电芯在早期阶段均未出现明显的卷芯分层，这与LIB形成鲜明对比。HS13-B1和HK15发生灾难性侧壁破裂，而HS13-B2则通过可控排气保持外壳完整。
**3.2 SIB电芯TR过程中的结构演变**：径向投影显示，HS13-B1中端子安全组件在1.67 s开始向排气口移动，随后电极材料变形导致排气口堵塞，最终引发爆炸性破裂。HS13-B2中端子位移较平缓，集流盘缺失的简化CID设计允许电极材料逐渐填充端子区域，实现可控排气。HK15中早期端子响应（0.53 s）表明高气体生成速率，反应前沿快速向内传播。轴向投影在所有SIB电芯中观察到从外向内传播的反应前沿，HS13-B1和HK15的反应速率较快，而HS13-B2较慢。
**3.3 结构分析与失效机制**：测试前CT扫描显示，HS13-B1、HK15和SG29均具有两级CID结构（包括底部集流盘和顶部排气盘），而HS13-B2采用简化CID（缺少底部集流盘，阴极极耳直接连接顶部CID盘）。测试后状态分为三类：灾难性失效（HS13-B1、HK15）、可控排气（HS13-B2）和严重内部分层但可控排气（SG29）。所有具有两级CID的SIB电芯均发生灾难性失效，而简化CID的HS13-B2保持外壳完整。
**3.4 TR动态定量分析**：SSIM逐帧分析显示，在早期传播阶段，端子区域的变化率可区分不同失效模式：HS13-B2的后起始变化率（0.32 s?1）显著低于HS13-B1（1.09 s?1）和HK15（3.36 s?1）。轴向投影中，HK15表现出最快的后起始变化率（4.59 s?1），而HS13-B1最慢（0.77 s?1）。在排气和加速阶段，SG29在卷芯区域的平均变化率最高（2.36 s?1），表明LIB的TR结构退化更剧烈。
**3.5 机理探讨**：所有SIB电芯表现出较长的第一阶段持续时间（0.60–6.10 s vs 0.31–0.41 s）和缺乏早期分层，表明初始气体生成速率较低，这与NFM正极的较低能量密度（97–129 Wh/kg vs 238 Wh/kg）一致。然而，尽管反应强度较低，两级CID设计导致气体排出受阻，电极材料堵塞排气口，造成内部压力积聚，最终引发灾难性失效。简化CID提供了足够的排气通道，使气体能够逐渐释放，从而避免爆炸。
**结论与意义**
本研究首次结合径向和轴向高速同步辐射X射线投影几何，实现了对圆柱形钠离子电池热失控过程的三维传播机制解析。研究发现，SIB电芯的TR行为不仅受化学体系影响，更关键地受端子设计（尤其是CID结构）的支配。具有两级CID的SIB电芯因排气受阻而容易发生灾难性失效，而简化CID设计可实现可控排气。此外，SIB电芯显示出比NMC LIB更长的TR持续时间和更少的早期分层，但峰值压力并不一定更低。这些发现强调了在SIB安全开发中优化内部安全机构设计的重要性，并为未来其他电芯格式和滥用条件下的TR机理研究提供了方法论框架。论文发表在《JOURNAL OF POWER SOURCES》。
