【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機械與精密儀器系先進感知、數(shù)據(jù)融合及智能運維課題組毛磊特任研究員團隊在鈉離子電池輕微電濫用下的安全特性研究中取得新進展，報道了單次輕微電濫用對鈉離子電池容量、阻抗特性和熱穩(wěn)定性的影響，并揭示了長期電濫用循環(huán)下安全特性的退化規(guī)律。研究成果以“Revealing the Hazard of Mild Electrical Abuse on the Safety Characteristics of NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2Cathode Sodium-Ion Battery”為題發(fā)表在Advanced Science上。
 

　　鈉離子電池近年來在儲能行業(yè)中的接受度逐步提升，其資源豐富性、成本優(yōu)勢及高安全性成為關(guān)鍵驅(qū)動力。然而，針對電濫用(如過充、過放、短路等極端工況)的研究仍顯不足。盡管鈉離子電池因電解液穩(wěn)定性高、熱失控風(fēng)險低而被認(rèn)為安全性優(yōu)于鋰電，但現(xiàn)有文獻和產(chǎn)業(yè)報道多聚焦于基礎(chǔ)性能優(yōu)化(如能量密度提升、循環(huán)壽命延長)和場景應(yīng)用拓展，對電濫用條件下如何觸發(fā)全電池內(nèi)的耦合退化，包括陰極、陽極、界面和熱/電化學(xué)行為的研究尚且匱乏。
 

圖1.輕微電濫用后電池在正常循環(huán)過程中的溫升差異
 

　　(a)充電過程電壓曲線；(b)放電過程電壓曲線；(c)充電過程溫升；(d)放電過程溫升

 

　　如圖1(a-b)所示，鈉離子電池在經(jīng)歷輕微電濫用后雖然容量沒有表現(xiàn)出明顯變化，但充放電曲線卻出現(xiàn)了輕微波動，同時在隨后的循環(huán)過程中產(chǎn)生了明顯的溫升差異，溫差的波動見圖1(c-d)。輕微電濫用對鈉離子電池的影響不是由單個組件的獨立失效引起的，而是多組件協(xié)同退化的結(jié)果，因此，電池內(nèi)部的電化學(xué)特性發(fā)生了改變并且降低了電池材料的熱穩(wěn)定性。
 

　　據(jù)此，作者采用先進的電化學(xué)測試和材料表征技術(shù)，研究了鈉離子電池在單次輕微電濫用和長期輕微電濫用循環(huán)下安全特性的降解機制和途徑。圖2展示了本文采用的技術(shù)路線，發(fā)現(xiàn)單次輕微電濫用對電池容量的影響很小，但會顯著改變活性電極材料的界面阻抗和性能。過充會使固體電解質(zhì)界面阻抗增大，副反應(yīng)加劇，而過放則導(dǎo)致固體電解質(zhì)界面溶解和活性物質(zhì)損失。輕微過充還降低了熱失控的觸發(fā)溫度，加速了鍍鈉導(dǎo)致的升溫速率，顯著增加了熱失控風(fēng)險。相比之下，過放電對熱失控行為的影響較小，可能還會略微延遲過充誘導(dǎo)熱失控的發(fā)生。對于遭受長期輕微電濫用的鈉離子電池則會表現(xiàn)出顯著的電化學(xué)性能退化，且導(dǎo)致陽極表面鍍鈉積累，而鍍鈉程度與過充電次數(shù)呈正相關(guān)。該研究不僅闡明了輕微電濫用下鈉離子電池安全特性的退化機理，也為鈉離子電池的優(yōu)化設(shè)計和安全性評估提供了理論支持。
 

圖2.本研究采用的技術(shù)路線
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士研究生桂青華為論文的第一作者，毛磊特任研究員為論文的唯一通訊作者。該項工作得到了基金委、中國科學(xué)院、安徽省及合肥市等部門的資助。