中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王青松教授團(tuán)隊在Process Safety and Environmental Protection（IF：6.9）發(fā)表題為Thermal runaway hazards comparison between sodium-ion and lithium-ion batteries using accelerating rate calorimetry論文，該成果由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室和中國南方電網(wǎng)發(fā)電有限公司儲能研究所等機(jī)構(gòu)聯(lián)合支持。
本研究使用仰儀科技小型電池絕熱量熱儀BAC-90A，對三種18650電池（以NaxTMO2[NTM]為陰極的鈉離子電池和兩種以LiFePO4[LFP]、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2[NCM]為陰極的鋰離子電池）的熱失控特性及危險性進(jìn)行了研究對比分析。
電池風(fēng)險通常從熱失控的觸發(fā)條件和嚴(yán)重程度來評估。本研究基于小型電池絕熱量熱儀BAC-90A 的實(shí)驗數(shù)據(jù)分析，從以下五個維度來評估三種電池的熱失控危險性:
1.熱失控嚴(yán)重程度關(guān)鍵參數(shù)：Tmax（熱失控最高溫度）、rmax（最大升溫速率）和W（TNT當(dāng)量）。
2.自放熱臨界條件危險性指標(biāo)：Tonset（自放熱起始溫度）和 改善電池表面散熱條件后SADT值。該值越小，表明電池越易發(fā)生熱失控，同時也反映了電池受散熱條件影響的程度。通過改善電池表面散熱條件提高 SADT，有助于降低熱失控發(fā)生的可能性。
本研究中BAC-90A的應(yīng)用：
1. HWS熱失控測試
在電池?zé)岱€(wěn)定性研究中，HWS（加熱-等待-搜索）模式是最常規(guī)的分析模式，本研究中采用小型電池絕熱量熱儀BAC-90A的HWS模式精準(zhǔn)獲取了三種18650電池的自放熱起始溫度 (Tonset)、熱失控起始溫度 (TTR)、熱失控最高溫度 (Tmax)、最大溫升速率 ((dT/dt)max) 和泄壓溫度(Topen)、隔膜分解溫度(Tsc)等特征參數(shù)。以此作為評估三種電池?zé)崽匦缘幕A(chǔ)數(shù)據(jù)。
部分實(shí)驗結(jié)果展示
2.自熱反應(yīng)的熱力學(xué)分析
運(yùn)用BAC-90A獲取的電池材料熱分解反應(yīng)特征參數(shù)。依據(jù)阿倫尼烏斯方程進(jìn)行擬合，從而得出三種電池的指前因子（A）和活化能（Ea）等關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)，為深入理解電池自放熱反應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。
3.熱失控臨界性和SADTs的計算
在電池儲存和運(yùn)輸場景中，當(dāng)環(huán)境溫度（T0）升高到一定程度，系統(tǒng)放熱速率大于散熱速率，導(dǎo)致電池溫度持續(xù)上升，直至觸發(fā)電池?zé)崾Э?。此臨界溫度 (T0) 即為 SADT。本研究基于BAC-90A測試的熱特性參數(shù)，結(jié)合熱平衡方程和謝苗諾夫模型。計算出了三種電池的自加速分解溫度（SADT）與系統(tǒng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（U）的對數(shù)關(guān)系。為評估電池在不同散熱條件下的熱失控臨界性提供量化依據(jù)。
部分實(shí)驗結(jié)果展示
結(jié)論:
基于實(shí)驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，本研究對三種電池的危險性進(jìn)行了定性評估。結(jié)論如下：
1. NTM電池的熱失控最高溫度Tmax和最大升溫速率rmax分別為511.7 ℃和2285.5 ℃/min，介于LFP和NCM電池之間。
2. NTM電池的lnA和活化能Ea分別為13.312 lg /s和0.8840 ×105 J /mol，NTM電池的三硝基甲苯當(dāng)量 W值為1.212g TNT，與LFP電池幾乎相同。
3. 在自然對流條件下，當(dāng)儲存溫度超過169.6 ℃時，完全充電的NTM電池會自燃。在電池儲存和運(yùn)輸過程中增加系統(tǒng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)U已被證明可以顯著提高NTM電池相對于LFP和NCM電池的安全性。
三種電池的熱失控評估模型表明，熱危險性順序為NCM電池>NTM電池>LFP電池。
部分實(shí)驗結(jié)果展示
本論文為鈉離子電池的安全研究提供了有力數(shù)據(jù)支撐，對其危險性評估具有重要指導(dǎo)意義。需注意，本研究僅從熱力學(xué)角度對比分析了鈉離子電池和鋰離子電池的熱失控危險性，未來研究應(yīng)深入探討電池?zé)崾Э剡^程中的有毒和可燃?xì)怏w成分及產(chǎn)氣量，以更全面評估電池安全性。
