层状氧化物钠电模组过充热失控多物理场行为研究

引言

层状氧化物钠离子电池（如NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O₂）凭借高能量密度与优异倍率性能，成为钠离子电池产业化主流技术路线之一。但层状氧化物正极在过充工况下结构稳定性较差，易发生不可逆释氧反应，进而触发热失控。尤其在模组层级，单体热失控产生的高温气体与火焰会快速蔓延至相邻电池，引发灾难性事故。热安全团队（thermsafe.cn）结合多物理场耦合分析，系统研究了层状氧化物钠离子电池模组在过充条件下的热失控行为及蔓延机理。

实验方案与多物理场模型

实验设计：以4S2P（4串2并）层状氧化物钠离子电池模组为研究对象，单体容量50Ah，额定电压3.0V。过充实验分别采用1.0C、2.0C、3.0C三种倍率，全程监测模组内各单体电压、温度及产气组分。

多物理场耦合模型：热安全团队（thermsafe.cn）搭建涵盖电化学、热学、流体、结构力学的耦合模型：

1. 电化学过充模型：模拟过充过程中金属析出、电解液分解与正极结构破坏过程。

2. 热-流体耦合模型：计算热失控过程的热量产生、传递与气体流动规律。

3. 热失控蔓延模型：基于阿伦尼乌斯动力学方程描述热失控反应速率，预测蔓延时长。

4. 结构力学模型：分析热失控引发的模组内部压力变化与结构失效风险。

[图：多物理场耦合模型框架图]

过充热失控行为分析

过充过程阶段划分：

过充倍率对热失控触发时间影响显著：1.0C过充约38~42分钟触发热失控，2.0C缩短至18~22分钟，3.0C仅需10~14分钟。高倍率过充不仅大幅压缩安全处置窗口，还会加剧热失控剧烈程度。

[图：不同过充倍率下电压-温度变化曲线]

模组级热失控蔓延机理

本次实验核心结论：层状氧化物钠电池模组热失控蔓延速度远快于磷酸铁锂（LFP）模组，具体参数对比如下：

蔓延更快主要有三方面原因：第一，层状氧化物正极过充释氧温度更低（约150℃，LFP高于200℃），释氧量高出2~3倍；第二，钠电池电解液热稳定性偏弱，分解产生更多可燃气体；第三，钠电池热失控峰值温度可达550~700℃，辐射热更强，加速相邻电池升温。

[图：模组内热失控蔓延红外热像序列图]

产气分析与爆炸风险评估

模组层级过充热失控总产气量远高于单体。4S2P模组完全热失控后，总产气量约1200~1800L（单体仅300~400L），其中氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯等可燃气体占比达40%~55%。在密闭或通风不良的电池舱内，大量可燃气体会短时间内达到爆炸极限，存在严重爆炸隐患。

模组内部压力在热失控蔓延过程中呈脉冲式上升：每一块单体发生热失控，舱内压力便会急剧冲高一次，峰值相对压力可达50~80kPa，远超多数电池壳体20~30kPa的设计耐压值。

模组安全设计策略

结合研究结论，针对层状氧化物钠离子电池模组提出专项安全设计方案：

1. 单体间隔热设计：单体之间加装厚度≥2mm气凝胶隔热垫与相变材料层，将蔓延时长延长至30秒以上，为安全系统争取处置时间。

2. 定向泄压通道：设置低阻力泄压通路，引导高温气体与火焰按预设方向排出，避免直接冲击相邻电池。

3. 快速断电保护：建议将过充保护电压设定为3.8V（对应120%SOC），相较于行业常用的4.0V更为保守，预留充足安全余量。

4. 主动消防介入：配备气溶胶灭火装置或全氟己酮灭火系统，检测到热失控信号后500ms内启动灭火，阻断蔓延链路。

5. BMS多维度监测：在电压、温度基础上，新增单体压力传感器与模组氢气、一氧化碳气体传感器，实现热失控早期多维预警。

结论

层状氧化物钠离子电池模组过充工况下，热失控蔓延速度为1.5~3.0cm/s，是LFP锂电池模组的2~3倍，安全设计面临更大挑战。蔓延速率偏高的核心因素为正极释氧温度低（约150℃）、释氧量大（为LFP的2~3倍）、热失控峰值温度高（550~700℃）。模组级安全设计必须同步从隔热、泄压、断电防护、主动消防四个维度入手，构建多层安全防护体系。随着钠离子电池在储能、新能源车领域规模化落地，模组级热安全设计将成为决定产品安全性的核心要素。

参考文献：DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0741