【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在全球能源轉(zhuǎn)型進程中，固態(tài)電池競賽已逐步演變?yōu)閲腋偁帲夜虘B(tài)電池已被納入《中國制造2025》白皮書，然而鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控風(fēng)險已成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸，鋰電儲能系統(tǒng)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(shù)的安全基準，構(gòu)建本質(zhì)安全型儲能體系成為下一代能源技術(shù)的核心訴求。作為新型儲能技術(shù)的重要分支，鈉離子電池憑借其資源豐度和成本優(yōu)勢，在過去十年實現(xiàn)了能量密度從初始的90 Wh/kg提升至160 Wh/kg水平，循環(huán)壽命突破4000次閾值。然而在安全性能研究領(lǐng)域，該技術(shù)體系仍呈現(xiàn)出顯著的路徑依賴特征，即現(xiàn)有研究普遍沿襲鋰離子電池的經(jīng)典熱失控理論框架，在關(guān)鍵材料和電芯層面存在諸多科學(xué)爭議。這種基礎(chǔ)研究層面的認知分歧，導(dǎo)致當(dāng)前鈉離子電池安全標準體系構(gòu)建面臨理論支撐不足的困境，因而突破現(xiàn)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(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)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(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心首次構(gòu)建“從原子行為到系統(tǒng)失效”的全尺度安全分析模型，并發(fā)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(huán)境之間的聯(lián)系，基于從安時級電池到材料的全尺度分析，發(fā)現(xiàn)鈉離子電池本質(zhì)熱安全性低于鋰離子電池。這一顛覆性結(jié)論源自對硬碳負極“離子-鈉簇”雙態(tài)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(yīng)的“電子風(fēng)暴”。
當(dāng)電池荷電狀態(tài)突破臨界值，硬碳負極內(nèi)潛伏的鈉簇便化身“定時炸彈”。實驗數(shù)據(jù)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(fā)熱失控鏈式反應(yīng)(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(yīng)金屬的金屬性對比。
本工作不僅打破了傳統(tǒng)安全評估體系的認知，更開創(chuàng)了“量子尺度-材料界面-系統(tǒng)安全”三位一體的研究范式。固態(tài)核磁弛豫技術(shù)，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(zhuǎn)瞬即逝的弛豫信號，結(jié)合絕熱量熱技術(shù)，進而實現(xiàn)對電池?zé)崾袨榈暮暧^闡釋。研究表明在常規(guī)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(fēng)險，更提醒了產(chǎn)業(yè)界在鈉離子電池邁向大規(guī)模實際應(yīng)用的征程前，熱安全系統(tǒng)性評價及機理研究刻不容緩，并以此為指引，全力發(fā)展破解電池安全困局的關(guān)鍵技術(shù)。唯有將“安全基因”深植技術(shù)命脈，方能行穩(wěn)致遠。
固態(tài)化是破解鈉離子電池在能量密度和安全性之間矛盾的關(guān)鍵策略。利用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)根本上消除了電池放熱反應(yīng)的燃料，切斷熱失控的開啟反應(yīng)，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(guān)工作發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Energy & Environmental Science。青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)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(xué)基金、山東自然科學(xué)基金、青島市關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等項目的支持。
鈉電池布局的其他相關(guān)工作如下：
固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心深耕固態(tài)電池領(lǐng)域近20載，從最初創(chuàng)新提出“剛?cè)岵?rdquo;的固態(tài)電解質(zhì)新范式，以及獨具匠心的“原位固化”工藝，到近期成功實現(xiàn)聚合物/硫化物復(fù)合全固態(tài)電池的批量生產(chǎn)，靜心篤志攻克固態(tài)電池科學(xué)難題，引領(lǐng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展。自2011年，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在固態(tài)鈉電池亦有深遠布局，建立了完善的知識產(chǎn)權(quán)體系，研發(fā)重點圍繞著“高能量密度、高安全性、低成本”繼續(xù)不斷探索，從鈉鹽/聚合單體分子設(shè)計、低內(nèi)能無機電解質(zhì)、共熔原位固化技術(shù)、亞硫酰氯基高能電池等多個層級維度去革新鈉電池發(fā)展，成功完成了多型號的固態(tài)鈉離子電池產(chǎn)品批量制備及應(yīng)用示范(見圖2)，引領(lǐng)著鈉電池技術(shù)朝著更加高效、安全、經(jīng)濟的方向大步邁進。(文/圖 牛嘉平)
圖2. 多型號的固態(tài)鈉離子電池產(chǎn)品批量制備及應(yīng)用示范
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