钠离子电池热失控特征深度对比
引言
钠离子电池作为锂离子电池的重要补充，在大型储能系统中展现出巨大应用潜力。当前商用大容量钠离子电池的正极材料主要分为层状氧化物和聚阴离子型两大类。然而，两者的热安全特性存在显著差异，系统理解这些差异对于钠电储能系统的安全设计至关重要。
一、聚阴离子型钠电：低温热失控，但剧烈度低
以160Ah大容量聚阴离子型钠离子电池为研究对象，利用绝热加速量热仪与320L密闭压力容器实验系统，探究其在绝热、外部加热及0.5C过充滥用条件下的热失控与产气特性。
| 参数 | 绝热条件 | 外部加热 | 0.5C过充 |
|---|---|---|---|
| Tonset/℃ | 100.94 | — | — |
| TTR/℃ | 180.51 | — | — |
| Tmax/℃ | 247.02 | — | 272.04 |
| 总产气量/L | — | 93.1 | 107.8 |
| 质量损失率 | — | 20.12% | 21.19% |
[图：160Ah聚阴离子型钠电HWS模式温度-时间曲线示意图]
研究表明，聚阴离子型钠电的Tmax（247℃）显著低于同类磷酸铁锂电池（约493℃），热失控剧烈程度明显较低。然而在过充条件下，热失控在过充电量仅达标称容量29.94%时即被触发，说明其对电滥用较为敏感。
二、产气特性：可燃组分比例不容忽视
外部加热触发条件下，释放气体主要成分为CO₂（37.97%）、H₂（31.25%）、CO（11.41%）和C₃H₆（9.38%）。过充条件下，H₂占比升至43.09%，CO₂降至27.68%。可燃气体（H₂+CO+C₃H₆）总占比超过50%，表明虽然在温度指标上较为温和，但产气的燃爆风险仍然显著。
[图：聚阴离子型钠电加热vs过充产气成分对比饼图]
三、层状氧化物钠电模组：链式失效模式
对13个185Ah方形层状氧化物钠电芯串联组成的模组进行0.5C过充滥用实验，揭示了由电-化-热-力多场耦合驱动的链式失效机理。最早的前兆信号是内部膨胀力的缓慢线性增长，由过充诱发的局部副反应产气所致，远早于任何显著的电学或热学异常。随着过充持续，各单体电压曲线明显分化，最终薄弱环节电芯因损伤累积触发内部短路，电压瞬时崩溃、温度指数级飙升。
[图：层状氧化物钠电模组过充热失控蔓延过程示意图]
该单点失效释放的巨大热量以多米诺骨牌形式引发相邻电芯连锁热蔓延，短时间内摧毁整个模组，证实了钠离子电池模组局部触发、全局破坏的失效模式。
四、钠电vs锂电热危险性对比
基于绝热加速量热仪对三种18650电池的对比研究，热危险性排序为：NCM电池 > NTM（钠离子）电池 > LFP电池。NTM电池的Tmax（511.7℃）和温升速率（2285.5℃/min）介于LFP和NCM之间，TNT当量（1.212g/g）与LFP（~1.0g/g）接近。值得关注的是，提高系统表面传热系数可显著提升NTM电池的相对安全性。
| 参数 | NTM钠电 | LFP | NCM |
|---|---|---|---|
| Tonset/℃ | ~94 | ~151 | ~149 |
| Tmax/℃ | 511.7 | 421 | ~700 |
| TNT当量/(g/g) | 1.212 | ~1.0 | ~2.5 |
五、结论与展望
钠离子电池并非天然安全。聚阴离子型钠电热失控温度较低但产气可燃性高，层状氧化物钠电模组则面临链式热蔓延风险。热安全团队（thermsafe.cn）建议钠电储能系统应建立涵盖内部压力监测、阻抗在线分析和多级预警的综合安全防护体系。
参考文献
- 储玉喜等. 160Ah聚阴离子型钠离子电池热失控与产气特性研究. 储能科学与技术. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0808
- 郭鹏宇等. 层状氧化物钠离子电池模组过充热失控多物理场行为分析. 储能科学与技术. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0741
- 王青松等. 绝热加速量热仪用于钠离子电池和锂离子电池热失控危险性的对比研究. Process Safety and Environmental Protection, 2024.