電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道
在全球能源結(jié)構(gòu)向清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型的背景下，動力電池成為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心支撐，鋰離子電池雖占據(jù)主流市場，卻面臨鋰資源短缺、低溫性能不佳等瓶頸。鈉離子電池憑借鈉資源地殼豐度是鋰的1000倍以上、-20℃低溫環(huán)境下容量保持率超90%、理論成本較鋰電低30%的顯著優(yōu)勢，成為鋰電重要補充方案，在低速電動車、儲能電站等場景展現(xiàn)出廣闊應用前景。

但鈉離子電池的安全性能驗證仍不充分，內(nèi)短路引發(fā)的熱失控風險成為其商業(yè)化落地的關鍵阻礙，近期一項針對鈉離子電池內(nèi)短路模型的系統(tǒng)性研究，不僅厘清了其短路發(fā)熱規(guī)律，更找到了提升安全性能的有效路徑，為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了重要技術支撐。

內(nèi)短路是電池機械濫用下熱失控的根本原因，國家出臺的電動自行車、電動汽車等領域電池安全強制性國家標準，均對擠壓、針刺等易引發(fā)內(nèi)短路的測試提出嚴格要求。鋰離子電池的四種內(nèi)短路模型已被廣泛研究，而鈉離子電池雖與鋰電結(jié)構(gòu)類似，卻因主材、輔材差異，在短路表現(xiàn)上存在明顯不同。

研究團隊采用1Ah級軟包鈉離子電池，通過缺孔擠壓試驗方案模擬正負極集流體短路、負極材料與正極集流體短路等四種內(nèi)短路模型，精準捕捉了不同短路方式下的電壓、溫度變化規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，鈉離子電池最危險的短路方式為負極硬碳與正極鋁箔接觸的Al-An短路，該模式下短路后50秒內(nèi)電芯溫度從19.1℃飆升至94.6℃，主體溫升達75.5℃，還出現(xiàn)輕微冒煙現(xiàn)象，拆解后可見隔膜被燒穿9層、正負極鋁層腐蝕，極易引發(fā)二次放熱反應。

為進一步明確鈉離子電池的安全特性，研究團隊將其與磷酸鐵鋰、三元體系鋰離子電池在Al-An最嚴苛短路模型下展開對比，結(jié)果顯示鈉離子電池溫升顯著更高，鋰電磷酸鐵鋰、三元體系溫升分別為50℃、55℃，而鈉電溫升達75.5℃，熱失控風險更大。

究其原因，鈉離子電池負極采用的鋁箔集流體，在電導率、導熱性和化學穩(wěn)定性上均不及鋰電的銅箔集流體，且硬碳負極晶格無序?qū)е聦嵯禂?shù)低于石墨，鋁箔與硬碳的組合易造成熱量局部累積，同時鋁箔在短路時的腐蝕反應會進一步加劇產(chǎn)熱，多重因素導致鈉電在極端內(nèi)短路下的安全表現(xiàn)遜于鋰電。這一發(fā)現(xiàn)填補了鈉離子電池內(nèi)短路機制研究的空白，也為針對性提升其安全性能指明了方向。

針對鈉離子電池內(nèi)短路的核心問題，研究團隊從集流體材質(zhì)優(yōu)化入手展開改進實驗，將鈉離子電池負極傳統(tǒng)12μm鋁箔替換為8μm銅箔，在不改變其他電芯設計的前提下，實現(xiàn)了安全性能的大幅提升。測試顯示，Al-An短路模型下電芯主體溫升從75.5℃降至63.2℃，頂部溫升從47℃降至32℃，短路后銅箔雖有燒灼點但結(jié)構(gòu)完好，有效避免了鋁箔腐蝕引發(fā)的額外放熱，同時銅箔更高的導熱性加快了熱量擴散，顯著提升了電芯熱穩(wěn)定性。

為驗證該方案的商業(yè)化可行性，研究團隊采用32700型商業(yè)圓柱鈉離子電池開展針刺測試，按照國標要求，傳統(tǒng)鋁箔集流體電芯針刺后全部爆炸，正極側(cè)溫度超460℃，而銅箔集流體電芯三顆平行測試均無起火無爆炸，最高溫度僅100℃，防爆閥泄壓正常，成功通過安全測試，這一成果為鈉離子電池安全設計提供了可落地的解決方案。