中國科學技術(shù)大學王青松教授團隊在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，該成果由中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室和中國南方電網(wǎng)發(fā)電有限公司儲能研究所等機構(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行了研究對比分析。
電池風險通常從熱失控的觸發(fā)條件和嚴重程度來評估。本研究基于小型電池絕熱量熱儀BAC-90A 的實驗數(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.熱失控嚴重程度關鍵參數(shù)：Tmax（熱失控最高溫度）、rmax（最大升溫速率）和W（TNT當量）。
2.自放熱臨界條件危險性指標：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的應用：
1. HWS熱失控測試
在電池熱穩(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熱特性的基礎數(shù)據(jù)。
部分實驗結(jié)果展示
2.自熱反應的熱力學分析
運用BAC-90A獲取的電池材料熱分解反應特征參數(shù)。依據(jù)阿倫尼烏斯方程進行擬合，從而得出三種電池的指前因子（A）和活化能（Ea）等關鍵動力學參數(shù)，為深入理解電池自放熱反應機制提供理論依據(jù)。
3.熱失控臨界性和SADTs的計算
在電池儲存和運輸場景中，當環(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，導致電池溫度持續(xù)上升，直至觸發(fā)電池熱失控。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)。
部分實驗結(jié)果展示
結(jié)論:
基于實驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，本研究對三種電池的危險性進行了定性評估。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意義。需注意，本研究僅從熱力學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，未來研究應深入探討電池熱失控過程中的有毒和可燃氣體成分及產(chǎn)氣量，以更全面評估電池安全性。
