摇椅结构电池热失控的原理

摇椅结构的化学电池正极材料、负极材料、电解质和隔膜组成，主要依靠金属离子在两个电极之间的充放电往返嵌入和脱嵌工作。电池一般采用含有锂、钠、钾元素的材料作为正极材料，但有些材料化学稳定性和热稳定性较差，在过充、撞击、短路过程中很容易引发火灾及爆炸事故。

除了正极材料外，负极材料的好坏直接影响离子电池的性能，传统碳负极材料易在电解液中形成固体电解质界面膜，引起初始容量的不可逆损失，降低首次充放电的效率，其次，由于碳负极的电位接近金属的电位，当电池过充时，碳负极表面易析出金属，从而可能形成枝晶，引起短路。锂电池发生火灾事故机理如下图所示。

起火的三要素：可燃物、助燃剂(产生氧气）、火源。

(资料图片)

短路造成短时大电流，形成高温环境，当温度达到正极的失控临界温度，开始产生氧气。如果电解液和隔膜是有机高分子材料，在高温下，成为易燃易爆的物品。同时短时大电流引起火花。所在在电池热失控的情况下，液态电池起火的三要素都具备齐了。

无机电解质电池本征安全

虽然，电池短路产生高温，正极产生氧气，但如果隔膜和电解质为无机物时，就没有了可燃物质，着火的三要素缺少一个，就不会起火爆炸。铅酸电池、固态锂离子电池、钒电池等都是无机电解质，所以这些电池本征安全。半固态锂电池含有5%的液态电解液，安全性比液态强很多，但还是有一定的隐患，在固态电池还无法量产的时间段内，是容量、成本、安全均衡的最优解。

层状氧化物和聚阴离子两大正极体系电池的安全性对比

层状氧化物正极（俗称三元体系）电极金属元素是镍，钴，锰，铜。对于这些元素来说，电池在工作的时候，锰不参与电化学反应，只有镍和钴是活性金属，化学反应非常活泼，参与电池的电化学反应，根据材料的结构和组成来说，三元料会在200度左右分解出氧气。

聚阴离子（铁锂电池）正极的化学结构是橄榄石形状，具有很高的热稳定性，温度达到700~800度以上，才开始分解出氧气。经过比亚迪的刀片电池海吹，大家都知道了铁锂电池比三元锂要安全很多，原理上确实是这样的。

对于钠离子电池来说，正极也分层状氧化物和聚阴离子两条路线，当前宣称量产的钠电池均为层状氧化物路线，它的正极继承了三元锂的特点，电解液与锂电也基本相同，但是，安全性还是有一点差别。

第一，三元钠电的成分，中科海纳以铜基为主，而传艺科技的镍金属成分较多，所以，中科海纳的钠电池，比传艺这些企业的钠电池要安全。

第二，钠电池的内阻值比较高。根据海纳公布的三款电池，内阻达到了5mΩ，比锂电的0.2mΩ大了25倍，所以短路的时候，理论上讲，钠电池的电流比锂电要小25倍，产生热量的速度就慢很多。内阻高，有利有弊，危险情况下对安全性有利，但日常使用时对性能影响很大。比如说在储能场景下，900v的系统，就需要300节电池串联，系统内阻就达到了1.5Ω，如果是240Ah的电池，内阻产生的热功率=240²*1.5=86Kw，完全无法接受。所以，降低内阻必然是钠电池面临的一个突出任务。但是，降低内阻，必然带来安全性降低。所以层状氧化物钠电池的安全和性能，鱼和熊掌不可兼得。也正因为这样，钠电池很多方面都还在攻关完善中，到底有多安全，现在也无法有答案，只有等各种结构都固定下来后，才有一种阶段性的数据。但是，层状氧化正极超越聚阴离子，从化学原理上讲不通。

概括来说，安全性从高到低，对比如下：

我手上有某电池厂内部的对比测试数据（钠电池为镍基体系），因不授权无法分享。但对比的结果是一致的。

$传艺科技(SZ002866)$$维科技术(SH600152)$$华阳股份(SH600348)$

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