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優(yōu)秀論文｜運用熱-氣聯(lián)用分析法揭示鈉離子電池從材料到電池層級的熱穩(wěn)定性
中國科學技術(shù)大學王青松教授團隊在Journal of Energy Chemistry（IF：14）發(fā)表題為Revealing the thermal stability of sodium-ion battery from material to cell level using combined thermal-gas analysis論文，該成果由中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室、安徽省應急管理研究院、中國科學院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國家實驗室和山東科技大學安全與環(huán)境工程學院等機構(gòu)聯(lián)合支持。
鈉離子電池（SIBs）作為新型儲能電池，其熱穩(wěn)定性對電池安全性及應用前景至關(guān)重要。本研究利用多種材料組合，深入探究了鈉離子電池中正極材料（NaxNi1/3Fe1/3Mn1/3O2，NFM111）和負極材料（硬碳，HC）的熱生成和產(chǎn)氣特性，并借助微觀和宏觀表征技術(shù)，闡明了電池在加熱過程中電極材料的潛在反應機制 。
為實現(xiàn)對NFM/HC材料組合多層次的熱安全理解，研究采用了特定的技術(shù)路線對鈉離子電池從材料到電池層級的熱穩(wěn)定性進行深度剖析。具體包括：
從微觀角度研究正負極材料在加熱過程中的結(jié)構(gòu)和成分演變，通過SEM、高分辨率TEM（HRTEM）和原位XPS檢測負極表面固體電解質(zhì)界面（SEI）的形貌及分解過程中的成分變化；
利用XRD測試正極活性材料的相變，探究正負極宏觀變化與微觀變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；
借助DSC和TG-IR-MS儀器分析微觀變化過程中的產(chǎn)熱和產(chǎn)氣行為，獲取電池材料完整的熱行為；
對NFM/HC軟包電池進行ARC實驗，確定其熱失控路徑，并完成對電池熱失控過程特征參數(shù)的分析。
本研究技術(shù)路線
在ARC實驗部分，研究團隊選用仰儀科技絕熱加速量熱儀TAC-500A進行測試。該儀器能夠在實驗室條件下精確模擬電池潛在的熱失控過程，憑借優(yōu)異的絕熱跟蹤性能，可實時監(jiān)測并記錄電池在絕熱環(huán)境中的自加熱行為及壓力變化。儀器具有快速響應、高靈敏度和測量精確等優(yōu)勢，能完整獲取熱失控全過程的熱力學參數(shù)，基于這些實驗數(shù)據(jù)，可準確計算出TD24、TMRad、SADT 等關(guān)鍵熱安全指標，為電池熱安全性評估提供可靠依據(jù)。
仰儀科技絕熱加速量熱儀TAC-500A
本研究中TAC-500A的應用
研究團隊采用TAC-500A的HWS（加熱-等待-搜尋）模式，對充電至100%SOC的軟包電池進行絕熱熱失控測試。為確保測試準確性，將加熱步驟設(shè)為10°C，等待時間設(shè)為60min，以此保證電池與ARC測試腔溫度一致。通過這一嚴謹?shù)膶嶒炦^程，成功獲取了NFM/HC全電池體系在絕熱熱失控過程中的三個關(guān)鍵特征參數(shù)：
自放熱起始溫度（Tonset）：研究結(jié)果顯示，該電池的自放熱起始溫度為97.93°C。在此溫度點，SEI膜顯著分解，電解液溶劑直接接觸陽極，引發(fā)放熱反應。當熱電偶檢測到溫度上升速率≥0.02°C/min時，電池便進入自熱階段。
熱失控起始溫度（Ttr）：實驗數(shù)據(jù)表明，該電池熱失控起始溫度在124.03°C。此時，電池溫度上升速率達到1°C/s，內(nèi)部壓力接近閾值。一旦超過電池外殼的承載能力，外殼就會破裂，釋放出高溫電解液蒸汽等反應氣體，導致溫度略有下降。
熱失控最高溫度（Tmax）：隨著電池熱失控加劇，電池材料間反應愈發(fā)劇烈，溫度從Ttr（dT/dt≥1°C/s）迅速攀升至最高溫度403.6°C（Tmax）。
部分研究成果展示
結(jié)論
本研究還取得其他成果：
運用表面分析和原位加熱XPS技術(shù)，研究正極的結(jié)構(gòu)演變和負極的鈉演化過程，發(fā)現(xiàn)正極在加熱過程中發(fā)生顯著相變并伴有氧氣釋放，負極上SEI大量降解導致Na2CO3 和 Na2O 形成，且在負極加熱過程中觀察到金屬鈉出現(xiàn)；
通過DSC測試探究電池材料熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)正極與電解液反應放熱焓值居于各測試組合shou位。負極與電解液反應中，SEI 破壞后，電解液會與負極和金屬鈉劇烈反應，正極產(chǎn)氧行為使正極 - 電解液組合在高溫下產(chǎn)生CO2，負極、金屬鈉與電解液的還原反應生成CO、C2H4和H2。
綜上所述，本研究成果為鈉離子電池熱安全性評估提供了全面的數(shù)據(jù)支持，有助于科研人員深入剖析電池熱失控機制，為后續(xù)改進電池設(shè)計、優(yōu)化材料選擇奠定了堅實的科學基礎(chǔ)。
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