圆柱形钠离子霍克蓄电池热失控和气体生成的加热机制控制
锂离子电池（LIBs）已被广泛应用于消费电子产品、电动汽车和储能系统，成为现代能源基础设施的基石（Khan等，2023）。然而，LIBs存在显著的局限性。从安全角度来看，它们的易燃电解质和正极的热稳定性差，使其在过充电或短路的情况下容易引发热 runaway（TR），这已被众多电动汽车火灾事件所证实（Wen，2021）。在资源方面，锂的地壳丰度仅为0.0065%，且分布不均，而正极材料钴则高度依赖进口，这给行业的可持续发展带来了挑战（Mukherjee等，2018）。
鉴于上述挑战，钠离子电池（SIBs）因其天然优势（如丰富的钠资源（地壳丰度为2.36%）、低材料成本以及在中低电压下可能具有更高的内在安全性）而越来越多地被视为锂离子电池（LIBs）在大规模电能存储和电动汽车应用中的补充和潜在替代品（Wen, 2021; Mukherjee et al., 2018; Yang, 2023）。必须指出的是，钠离子电池在主要成分（例如有机电解质、层状氧化物正极）和工作机理上与锂离子电池有相似之处。这意味着在高温、过充电和短路等极端滥用条件下，它们也面临热风险（TR风险）（Yue, 2024; Bordes, 2022）。目前，系统性研究它们的TR触发机制、演变过程和保护策略仍然不足，这已成为阻碍其大规模和安全部署的关键瓶颈。随着高比能电池在新能源汽车和储能系统中的广泛采用，其安全问题已成为限制进一步工业发展的关键瓶颈。值得注意的是，作为一种破坏性链式放热反应，热 runaway一旦启动，可能会导致火灾甚至爆炸等灾难性后果（Li, 2025, Jia et al., 2025, Schöberl, 2025, Qi et al., 2024）。因此，建立一个多层次的安全保护系统，以有效减轻TR的危险，是尤为必要的。保护策略仍然不足，这已成为大规模和安全部署的关键瓶颈。随着高比能电池在新能源汽车和储能系统中的广泛使用，其安全问题已成为限制进一步工业发展的关键瓶颈。值得注意的是，作为一种破坏性的链式放热反应，热 runaway 一旦引发，可能会导致火灾甚至爆炸等灾难性后果（Li, 2025, Jia et al., 2025, Schöberl, 2025, Qi et al., 2024）。因此，建立一个多层次的安全保护系统，以有效减轻热 runaway 的危害，是尤为必要的。保护策略仍然不足，这已成为大规模和安全部署的关键瓶颈。随着高比能电池在新能源汽车和储能系统中的广泛使用，其安全问题已成为限制进一步工业发展的关键瓶颈。值得注意的是，作为一种破坏性的链式放热反应，热 runaway 一旦引发，可能会导致火灾甚至爆炸等灾难性后果（Li, 2025, Jia et al., 2025, Schöberl, 2025, Qi et al., 2024）。因此，建立一个多层次的安全保护系统，以有效减轻热 runaway 的危害，是尤为必要的。随着高比能量电池在新型电动汽车和储能系统中的广泛应用，其安全问题已成为进一步工业发展的关键瓶颈。值得注意的是，作为一种破坏性链式放热反应，热 runaway 一旦启动，可能会导致火灾甚至爆炸等灾难性后果 (Li, 2025, Jia et al., 2025, Schöberl, 2025, Qi et al., 2024)。因此，建立一个多层次的安全保护系统，以有效减轻热 runaway 的危害，是尤为必要的。随着高比能量电池在新型电动汽车和储能系统中的广泛应用，其安全问题已成为进一步工业发展的关键瓶颈。值得注意的是，作为一种破坏性链式放热反应，热 runaway 一旦启动，可能会导致火灾甚至爆炸等灾难性后果 (Li, 2025, Jia et al., 2025, Schöberl, 2025, Qi et al., 2024)。因此，建立一个多层次的安全保护系统，以有效减轻热 runaway 的危害，是尤为必要的。一旦启动，可能会导致火灾或甚至爆炸等灾难性后果 (Li, 2025, Jia et al., 2025, Schöberl, 2025, Qi et al., 2024)。因此，建立一个多层次的安全保护系统对于有效减轻TR的危险是特别必要的，以建立一个全面的系统。一旦启动，可能会导致火灾或甚至爆炸等灾难性后果 (Li, 2025, Jia et al., 2025, Schöberl, 2025, Qi et al., 2024)。因此，建立一个多层次的安全保护系统对于有效减轻TR的危险是特别必要的，以建立一个全面的系统。
近年来，SIBs的热 runaway行为已成为安全研究的焦点。现有的研究主要通过将SIBs的热 runaway特性与LIBs的特性进行比较来研究SIBs。Liu等人（Liu, 2025）对185 Ah的SIBs进行了热 runaway比较实验。CuFeMn基于CFM的钠离子电池和314 Ah磷酸铁锂LFP电池在过热和1 C恒流过充电条件下进行测试。它们同时测量了温度、电压、气体产生、质量损失和材料热响应。结果表明，CFM电池在热失控过程中表现出更高的峰值温度，安全阀没有发出警告，气体产生更多，可燃气体浓度更高。尽管它具有更好的过充电耐受性，但其整体热失控危险性显著高于LFP电池。同样，Zhang等人（Zhang等人，2026）使用180 Ah基于CFM的SIB和150 Ah LFP电池在100%荷电状态（SOC）下进行外部加热为500 W的比较热失控实验。他们同时测量了温度、电压，气体成分、质量损失和爆炸极限。结果表明，SIB的热 runaway触发温度较低，警告时间极短，温度上升速率更快，气体产生和质量损失更大，可燃气体浓度更高，爆炸范围更广。总体而言，其危险性显著高于LFP电池。Yue等人（Yue, 2024）使用加速速率量热计（ARC）来比较热 runaway。其危险性显著高于磷酸铁锂电池。Yue等人（Yue, 2024）使用加速速率量热计（ARC）来比较热 runaway情况其危险性显著高于磷酸铁锂电池。Yue等人（Yue, 2024）使用加速速率量热计（ARC）来比较热 runaway情况ₓ₂NaₓTMO₂基于LFP和锂镍钴锰氧化物（NCM）锂离子电池的钠离子（NTM）电池。他们得出结论，钠离子电池的热危险在LFP和NCM电池之间，整体安全性优于NCM，接近LFP。Amano等人（Amano等人，2025）使用18650型钠离子电池（具有镍铁锰氧化物（NFM）正极）和锂离子电池（具有NCMC正极）研究了在不同SOC下的热 runaway行为和气体生成风险。他们发现，两种类型的电池在SOC ≥ 50%时都经历了热 runaway，钠离子电池产生的最大压力（1.2–4 bar）低于锂离子电池（1.42–5.8 bar）。两种电池类型的热 runaway风险随着SOC的增加而增加。Alrifai等人（Alrifai，2025年，研究者使用高速同步加速器X射线成像、热流测量和气体分析研究了钠钒氟磷酸盐（NVPF）钠离子电池的热 runaway。他们得出结论，NVPF SIBs的热安全性能与LFP LIBs相当，优于NCM LIBs，但气体产生更快，并且 jelly roll（一种电池结构）更容易被喷出。
考虑到热 runaway在电池中被定义为“不可逆的温度上升过程”，改变或调节这一过程可以降低热 runaway的风险。具体来说，热 runaway期间影响温度上升过程的关键因素包括电池自身的状态-of-charge (SOC) 或状态-of-health (SOH)，以及触发原因的强度——例如内部缺陷的大小、过充电率的大小以及外部加热的功率、方法和位置。迄今为止，针对这些影响因素已经进行了大量研究，使用各种实验方法来研究它们对热 runaway温度上升过程和整体电池安全的具体影响。Wu 等人 (Wu,2026) 通过加热触发的热失控和傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 气体分析对不同 SOC 的 185Ah 大容量 SIBs 进行了实验。他们得出结论，较高的 SOC 会导致更严重的热失控、更大的气体产生和更高的爆炸风险，并且忽略乙基甲基碳酸酯 (EMC) 会显著低估爆炸危险。Böttcher 等人 (Böttcher, 2025) 在氮气气氛下进行了热滥用实验，比较了商业 18650 SIBs 和 LFP LIBs。他们发现，即使在 30% SOC 时，SIBs 也会经历热失控，并且容易发生卷芯弹出，表明其安全性低于 LFP 电池。Li 等人 (Li, 2025) 对不同 SOC 下的大尺寸 185Ah 柱状 SIBs 的热失控特性进行了系统研究。关注产热、产气和机械变化。H的比例2随着SOC显著增加，在100% SOC时，混合气体的爆炸范围高达6.5–69.0%，表明SIBs存在显著的燃烧和爆炸风险，这带来了严重的燃烧和爆炸风险。同时，剧烈的气体生成有时会通过散热和隔离可燃气体与火花及氧气而导致自我熄灭。Shao等人（Shao, 2025）研究表明，老化后的NCM LIBs的热 runaway起始温度较低（在100% SOC时为170.7°C，而在30% SOC时为190.5°C），并且最大温度和可燃气体产量随着老化程度和SOC的增加而增加。电池老化导致的容量衰减和内阻增加是提升热 runaway风险的核心因素。当荷电状态（SOC）水平确定热 runaway的起始时间和气体释放强度。这与Li等人（Li, 2025）和Amano等人（Amano et al., 2025）关于SOC对电池热安全性能影响的结论一致。Hu等人（Hu, 2024）回顾了LIB热 runaway的三个主要触发因素（机械滥用、电气滥用和热滥用），分析了如通风、喷射火和放热反应等后果，并对内部短路的机制（包括自发内部短路）进行了详细分析。关于过充电引起的热 runaway，Sun等人（Sun, 2026）对LFP软包电池进行了1 C和2 C过充电测试，并表征了热 runaway的残余物。他们发现，2 C过充电会导致更严重的热 runaway，并且残余物包含特征明显的相。Zhang等人（Zhang, 2025）通过电化学测试、温度上升监测、SEM和X射线衍射（XRD）表征研究了过充电对SIBs的影响。他们得出结论：过充电增加了内阻，降低了容量，加剧了热生成，并对电极结构造成了不可逆的损坏。在研究热滥用引起的热 runaway行为时，Zhou等人（Zhou, 2024）对LFP棱柱电池进行了各种热滥用实验。他们发现底部加热更容易引发严重的热 runaway，热滥用前的内部热生成对热 runaway的启动贡献超过35%。外部热输入和功率是关键影响因素。热 runaway 可以由足够的外部加热或内部温度梯度的减小触发。Wu 等人 (2018) 使用 C80 微热计和 ARC 研究了内部 LIB 材料（阴极、阳极、隔膜）的热稳定性和内部/外部加热模式下的热 runaway 特性。他们发现材料的热稳定性顺序为阳极 < 隔膜 < 阴极。外部加热模式下的热 runaway 起始温度和临界温度高于内部加热模式下的。此外，热 runaway 过程可以分为三个阶段，并且在温度超过 150°C 之前通过散热可以防止热 runaway。Jin (2025) 开发了一种高频感应加热技术，用于在锂离子电池 (LIB) 中触发热 runaway 测试。他们研究了该技术在不同类型的LIBs中的有效性和机制。通过实验和多物理场模拟，他们验证了该技术在各种商业LIBs中的适用性，包括LFP和NMC系统，这些LIBs有棱柱形、袋形和圆柱形格式，并对其性能与传统的触发方法（如针刺和外部加热）进行了比较分析。Rui (2025) 通过钢球压痕实验和多物理场耦合模型研究了SIBs的机械滥用行为。他们发现，内部短路触发在SIBs中稍晚一些，温度仅上升约35°C，表明其安全性优于LIBs。
当前的研究已经广泛调查了诸如荷电状态（SOC）、老化程度、内部短路和过充电率等因素对电池热失控的影响。关于触发方法，外部加热是研究热滥用和热传播的常用方法。然而，现有的研究主要集中在固定或高强度加热条件下，旨在引发最严重的热失控。在最近的一项研究中，采用不同的触发方法，Yang（2025）对185 Ah大容量钠离子电池在500 W、750 W和1000 W的加热功率下进行了热滥用实验。他们发现，热失控传播速率随着加热功率的增加而降低。在低功率加热下，电池表现出更高的最高温度和更大的最大膨胀力。伴随着更长时间的气体释放和更宽的爆炸范围，容易引发累积的副作用反应和气体积聚，从而加剧长期的热和机械风险。在高功率加热下，热失控触发时间更短，热释放更分散。此外，内短路触发的温度随着功率增加而降低，内短路与热失控之间的间隔时间相应缩短。对不同加热功率在热失控进展中的定量调控作用以及其电-热-气耦合机制的阐明，仍然很大程度上未被探索。这个问题对于正在发展的SIB技术来说尤其关键。由于其材料热稳定性和反应动力学可能与锂离子电池（LIB）不同，直接从锂离子电池经验中进行外推可能具有局限性。在实际电池使用和火灾事故场景中，外部热滥用是一个典型且随机的危险触发因素。不同强度的外部热源导致电池温度上升的演变行为不同，这直接决定了热 runaway的触发难度、灾害的严重程度和热传播的风险。现有研究大多集中在电池在固定热滥用条件下的热 runaway机制。然而，热 runaway行为和气体释放模式的差异，不同外部加热功率梯度对钠离子电池引发的内部副反应特性尚不清楚。特别是，在多种梯度热源强度下缺乏比较分析，使得难以明确热源负荷与电池热失控危险等级之间的相关性。因此，以圆柱形钠离子电池为研究对象。施加不同梯度的外部加热功率，在有限空间内进行热滥用测试。随后，研究了加热功率对热失控触发时间的差异效应。确定了包括温度演变、气体成分和产量以及内部副反应路径在内的关键参数。此外，评估了热源强度与热失控危害严重性之间的相关性。通过考虑梯度热加载下热失控的演变机制，为电池安全保护和热管理优化提供了理论支持和数据参考。
