钠离子电池内短路研究获突破 集流体创新升级筑牢安全防线

电子发烧友网综合报道
在全球能源结构向清洁化、低碳化转型的背景下，动力电池成为新能源产业发展的核心支撑，锂离子电池虽占据主流市场，却面临锂资源短缺、低温性能不佳等瓶颈。钠离子电池凭借钠资源地壳丰度是锂的1000倍以上、-20℃低温环境下容量保持率超90%、理论成本较锂电低30%的显著优势，成为锂电重要补充方案，在低速电动车、储能电站等场景展现出广阔应用前景。

但钠离子电池的安全性能验证仍不充分，内短路引发的热失控风险成为其商业化落地的关键阻碍，近期一项针对钠离子电池内短路模型的系统性研究，不仅厘清了其短路发热规律，更找到了提升安全性能的有效路径，为钠离子电池产业高质量发展提供了重要技术支撑。

内短路是电池机械滥用下热失控的根本原因，国家出台的电动自行车、电动汽车等领域电池安全强制性国家标准，均对挤压、针刺等易引发内短路的测试提出严格要求。锂离子电池的四种内短路模型已被广泛研究，而钠离子电池虽与锂电结构类似，却因主材、辅材差异，在短路表现上存在明显不同。

研究团队采用1Ah级软包钠离子电池，通过缺孔挤压试验方案模拟正负极集流体短路、负极材料与正极集流体短路等四种内短路模型，精准捕捉了不同短路方式下的电压、温度变化规律。实验发现，钠离子电池最危险的短路方式为负极硬碳与正极铝箔接触的Al-An短路，该模式下短路后50秒内电芯温度从19.1℃飙升至94.6℃，主体温升达75.5℃，还出现轻微冒烟现象，拆解后可见隔膜被烧穿9层、正负极铝层腐蚀，极易引发二次放热反应。

为进一步明确钠离子电池的安全特性，研究团队将其与磷酸铁锂、三元体系锂离子电池在Al-An最严苛短路模型下展开对比，结果显示钠离子电池温升显著更高，锂电磷酸铁锂、三元体系温升分别为50℃、55℃，而钠电温升达75.5℃，热失控风险更大。

究其原因，钠离子电池负极采用的铝箔集流体，在电导率、导热性和化学稳定性上均不及锂电的铜箔集流体，且硬碳负极晶格无序导致导热系数低于石墨，铝箔与硬碳的组合易造成热量局部累积，同时铝箔在短路时的腐蚀反应会进一步加剧产热，多重因素导致钠电在极端内短路下的安全表现逊于锂电。这一发现填补了钠离子电池内短路机制研究的空白，也为针对性提升其安全性能指明了方向。

针对钠离子电池内短路的核心问题，研究团队从集流体材质优化入手展开改进实验，将钠离子电池负极传统12μm铝箔替换为8μm铜箔，在不改变其他电芯设计的前提下，实现了安全性能的大幅提升。测试显示，Al-An短路模型下电芯主体温升从75.5℃降至63.2℃，顶部温升从47℃降至32℃，短路后铜箔虽有烧灼点但结构完好，有效避免了铝箔腐蚀引发的额外放热，同时铜箔更高的导热性加快了热量扩散，显著提升了电芯热稳定性。

为验证该方案的商业化可行性，研究团队采用32700型商业圆柱钠离子电池开展针刺测试，按照国标要求，传统铝箔集流体电芯针刺后全部爆炸，正极侧温度超460℃，而铜箔集流体电芯三颗平行测试均无起火无爆炸，最高温度仅100℃，防爆阀泄压正常，成功通过安全测试，这一成果为钠离子电池安全设计提供了可落地的解决方案。