近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系先進(jìn)感知、數(shù)據(jù)融合及智能運(yùn)維課題組毛磊特任研究員團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池輕微電濫用下的安全特性研究中取得新進(jìn)展，報(bào)道了單次輕微電濫用對(duì)鈉離子電池容量、阻抗特性和熱穩(wěn)定性的影響，并揭示了長(zhǎng)期電濫用循環(huán)下安全特性的退化規(guī)律。研究成果以“Revealing the Hazard of Mild Electrical Abuse on the Safety Characteristics of NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2Cathode Sodium-Ion Battery”為題發(fā)表在Advanced Science上。
 

　　鈉離子電池近年來(lái)在儲(chǔ)能行業(yè)中的接受度逐步提升，其資源豐富性、成本優(yōu)勢(shì)及高安全性成為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。然而，針對(duì)電濫用(如過(guò)充、過(guò)放、短路等極端工況)的研究仍顯不足。盡管鈉離子電池因電解液穩(wěn)定性高、熱失控風(fēng)險(xiǎn)低而被認(rèn)為安全性優(yōu)于鋰電，但現(xiàn)有文獻(xiàn)和產(chǎn)業(yè)報(bào)道多聚焦于基礎(chǔ)性能優(yōu)化(如能量密度提升、循環(huán)壽命延長(zhǎng))和場(chǎng)景應(yīng)用拓展，對(duì)電濫用條件下如何觸發(fā)全電池內(nèi)的耦合退化，包括陰極、陽(yáng)極、界面和熱/電化學(xué)行為的研究尚且匱乏。
 

圖1.輕微電濫用后電池在正常循環(huán)過(guò)程中的溫升差異
 

　　(a)充電過(guò)程電壓曲線；(b)放電過(guò)程電壓曲線；(c)充電過(guò)程溫升；(d)放電過(guò)程溫升

 

　　如圖1(a-b)所示，鈉離子電池在經(jīng)歷輕微電濫用后雖然容量沒(méi)有表現(xiàn)出明顯變化，但充放電曲線卻出現(xiàn)了輕微波動(dòng)，同時(shí)在隨后的循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的溫升差異，溫差的波動(dòng)見(jiàn)圖1(c-d)。輕微電濫用對(duì)鈉離子電池的影響不是由單個(gè)組件的獨(dú)立失效引起的，而是多組件協(xié)同退化的結(jié)果，因此，電池內(nèi)部的電化學(xué)特性發(fā)生了改變并且降低了電池材料的熱穩(wěn)定性。
 

　　據(jù)此，作者采用先進(jìn)的電化學(xué)測(cè)試和材料表征技術(shù)，研究了鈉離子電池在單次輕微電濫用和長(zhǎng)期輕微電濫用循環(huán)下安全特性的降解機(jī)制和途徑。圖2展示了本文采用的技術(shù)路線，發(fā)現(xiàn)單次輕微電濫用對(duì)電池容量的影響很小，但會(huì)顯著改變活性電極材料的界面阻抗和性能。過(guò)充會(huì)使固體電解質(zhì)界面阻抗增大，副反應(yīng)加劇，而過(guò)放則導(dǎo)致固體電解質(zhì)界面溶解和活性物質(zhì)損失。輕微過(guò)充還降低了熱失控的觸發(fā)溫度，加速了鍍鈉導(dǎo)致的升溫速率，顯著增加了熱失控風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，過(guò)放電對(duì)熱失控行為的影響較小，可能還會(huì)略微延遲過(guò)充誘導(dǎo)熱失控的發(fā)生。對(duì)于遭受長(zhǎng)期輕微電濫用的鈉離子電池則會(huì)表現(xiàn)出顯著的電化學(xué)性能退化，且導(dǎo)致陽(yáng)極表面鍍鈉積累，而鍍鈉程度與過(guò)充電次數(shù)呈正相關(guān)。該研究不僅闡明了輕微電濫用下鈉離子電池安全特性的退化機(jī)理，也為鈉離子電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全性評(píng)估提供了理論支持。
 

圖2.本研究采用的技術(shù)路線
 

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士研究生桂青華為論文的第一作者，毛磊特任研究員為論文的唯一通訊作者。該項(xiàng)工作得到了基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省及合肥市等部門(mén)的資助。