【儀表網 研發快訊】在全球能源轉型進程中，固態電池競賽已逐步演變為國家競爭，且固態電池已被納入《中國制造2025》白皮書，然而鋰離子電池系統的熱失控風險已成為制約產業發展的關鍵性技術瓶頸，鋰電儲能系統年均事故量已攀升至3.2萬例，這促使全球科研界重新審視新能源技術的安全基準，構建本質安全型儲能體系成為下一代能源技術的核心訴求。作為新型儲能技術的重要分支，鈉離子電池憑借其資源豐度和成本優勢，在過去十年實現了能量密度從初始的90 Wh/kg提升至160 Wh/kg水平，循環壽命突破4000次閾值。然而在安全性能研究領域，該技術體系仍呈現出顯著的路徑依賴特征，即現有研究普遍沿襲鋰離子電池的經典熱失控理論框架，在關鍵材料和電芯層面存在諸多科學爭議。這種基礎研究層面的認知分歧，導致當前鈉離子電池安全標準體系構建面臨理論支撐不足的困境，因而突破現有研究范式，建立基于鈉離子本征特性的安全評價模型，已成為該領域亟待解決的關鍵科學問題。
為了解答“鈉電池是否比鋰電池更安全”這一長期爭論的議題，青島能源所固態能源系統技術中心首次構建“從原子行為到系統失效”的全尺度安全分析模型，并發表題為“Sodium clusters-driven safety concerns of sodium-ion batteries”的研究論文。該工作成功建立了鈉離子電池宏觀安全性與微觀鈉離子存儲環境之間的聯系，基于從安時級電池到材料的全尺度分析，發現鈉離子電池本質熱安全性低于鋰離子電池。這一顛覆性結論源自對硬碳負極“離子-鈉簇”雙態存儲機制的深度解碼——鈉簇在費米能級的電子活躍度超過金屬鈉本身，形成堪比微型核反應的“電子風暴”。
當電池荷電狀態突破臨界值，硬碳負極內潛伏的鈉簇便化身“定時炸彈”。實驗數據顯示，這些納米級金屬團簇可使自放熱起始溫度提前至92℃，比鋰電池更早觸發熱失控鏈式反應(見圖1)，而且每個鈉簇都像微型催化劑，通過加速電解液分解，進一步壓縮“熱失控-燃爆”的時間尺度。
圖1.(a)鈉離子電池和鋰離子電池軟包熱失控模式對比。(b)堿金屬離子在硬碳和石墨負極中的演化趨勢。(c)鈉簇與LiC6與其相應金屬的金屬性對比。
本工作不僅打破了傳統安全評估體系的認知，更開創了“量子尺度-材料界面-系統安全”三位一體的研究范式。固態核磁弛豫技術，如同給微觀鈉原子裝上“量子顯微鏡”，首次捕捉到硬碳中鈉簇轉瞬即逝的弛豫信號，結合絕熱量熱技術，進而實現對電池熱失效行為的宏觀闡釋。研究表明在常規運行中鈉離子電池同樣面臨著比鋰離子電池更大的安全風險，更提醒了產業界在鈉離子電池邁向大規模實際應用的征程前，熱安全系統性評價及機理研究刻不容緩，并以此為指引，全力發展破解電池安全困局的關鍵技術。唯有將“安全基因”深植技術命脈，方能行穩致遠。
固態化是破解鈉離子電池在能量密度和安全性之間矛盾的關鍵策略。利用固態電解質替代傳統液態電解質根本上消除了電池放熱反應的燃料，切斷熱失控的開啟反應，還可以兼容更高容量和電壓的電極體系，提升能量密度。
相關工作發表在國際學術期刊Energy & Environmental Science。青島能源所固態能源系統技術中心牛嘉平、董峻源和張宵虎為共同第一作者，崔光磊研究員、趙井文研究員和黃浪副研究員為論文通訊作者。以上工作得到國家自然科學基金、山東自然科學基金、青島市關鍵技術攻關等項目的支持。
鈉電池布局的其他相關工作如下：
固態能源系統技術中心深耕固態電池領域近20載，從最初創新提出“剛柔并濟”的固態電解質新范式，以及獨具匠心的“原位固化”工藝，到近期成功實現聚合物/硫化物復合全固態電池的批量生產，靜心篤志攻克固態電池科學難題，引領固態電池產業技術發展。自2011年，固態能源系統技術中心在固態鈉電池亦有深遠布局，建立了完善的知識產權體系，研發重點圍繞著“高能量密度、高安全性、低成本”繼續不斷探索，從鈉鹽/聚合單體分子設計、低內能無機電解質、共熔原位固化技術、亞硫酰氯基高能電池等多個層級維度去革新鈉電池發展，成功完成了多型號的固態鈉離子電池產品批量制備及應用示范(見圖2)，引領著鈉電池技術朝著更加高效、安全、經濟的方向大步邁進。(文/圖 牛嘉平)
圖2. 多型號的固態鈉離子電池產品批量制備及應用示范
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