搖椅結構電池熱失控的原理

搖椅結構的化學電池正極材料、負極材料、電解質和隔膜組成，主要依靠金屬離子在兩個電極之間的充放電往返嵌入和脫嵌工作。電池一般采用含有鋰、鈉、鉀元素的材料作為正極材料，但有些材料化學穩定性和熱穩定性較差，在過充、撞擊、短路過程中很容易引發火災及爆炸事故。

除了正極材料外，負極材料的好壞直接影響離子電池的性能，傳統碳負極材料易在電解液中形成固體電解質界面膜，引起初始容量的不可逆損失，降低首次充放電的效率，其次，由于碳負極的電位接近金屬的電位，當電池過充時，碳負極表面易析出金屬，從而可能形成枝晶，引起短路。鋰電池發生火災事故機理如下圖所示。

起火的三要素：可燃物、助燃劑(產生氧氣）、火源。

(資料圖片)

短路造成短時大電流，形成高溫環境，當溫度達到正極的失控臨界溫度，開始產生氧氣。如果電解液和隔膜是有機高分子材料，在高溫下，成為易燃易爆的物品。同時短時大電流引起火花。所在在電池熱失控的情況下，液態電池起火的三要素都具備齊了。

無機電解質電池本征安全

雖然，電池短路產生高溫，正極產生氧氣，但如果隔膜和電解質為無機物時，就沒有了可燃物質，著火的三要素缺少一個，就不會起火爆炸。鉛酸電池、固態鋰離子電池、釩電池等都是無機電解質，所以這些電池本征安全。半固態鋰電池含有5%的液態電解液，安全性比液態強很多，但還是有一定的隱患，在固態電池還無法量產的時間段內，是容量、成本、安全均衡的最優解。

層狀氧化物和聚陰離子兩大正極體系電池的安全性對比

層狀氧化物正極（俗稱三元體系）電極金屬元素是鎳，鈷，錳，銅。對于這些元素來說，電池在工作的時候，錳不參與電化學反應，只有鎳和鈷是活性金屬，化學反應非常活潑，參與電池的電化學反應，根據材料的結構和組成來說，三元料會在200度左右分解出氧氣。

聚陰離子（鐵鋰電池）正極的化學結構是橄欖石形狀，具有很高的熱穩定性，溫度達到700~800度以上，才開始分解出氧氣。經過比亞迪的刀片電池海吹，大家都知道了鐵鋰電池比三元鋰要安全很多，原理上確實是這樣的。

對于鈉離子電池來說，正極也分層狀氧化物和聚陰離子兩條路線，當前宣稱量產的鈉電池均為層狀氧化物路線，它的正極繼承了三元鋰的特點，電解液與鋰電也基本相同，但是，安全性還是有一點差別。

第一，三元鈉電的成分，中科海納以銅基為主，而傳藝科技的鎳金屬成分較多，所以，中科海納的鈉電池，比傳藝這些企業的鈉電池要安全。

第二，鈉電池的內阻值比較高。根據海納公布的三款電池，內阻達到了5mΩ，比鋰電的0.2mΩ大了25倍，所以短路的時候，理論上講，鈉電池的電流比鋰電要小25倍，產生熱量的速度就慢很多。內阻高，有利有弊，危險情況下對安全性有利，但日常使用時對性能影響很大。比如說在儲能場景下，900v的系統，就需要300節電池串聯，系統內阻就達到了1.5Ω，如果是240Ah的電池，內阻產生的熱功率=2402*1.5=86Kw，完全無法接受。所以，降低內阻必然是鈉電池面臨的一個突出任務。但是，降低內阻，必然帶來安全性降低。所以層狀氧化物鈉電池的安全和性能，魚和熊掌不可兼得。也正因為這樣，鈉電池很多方面都還在攻關完善中，到底有多安全，現在也無法有答案，只有等各種結構都固定下來后，才有一種階段性的數據。但是，層狀氧化正極超越聚陰離子，從化學原理上講不通。

概括來說，安全性從高到低，對比如下：

我手上有某電池廠內部的對比測試數據（鈉電池為鎳基體系），因不授權無法分享。但對比的結果是一致的。

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