基于模型的钠离子电池设计制备及其安全性管理基础研究

Because of its unique advantages in resources and good electrochemical performance, sodium-ion batteries (SIB) received extensive attention as the future energy storage batteries. Most current research focused on exploring the new electrode materials for sodium ion batteries application. The process engineering issues related to the design, manufacture process and safety management of SIB are very few involved. This project aims to develop high safety, long life sodium ion battery, based on the results of structural phase transition and thermal behavior study, we plan to develop electrochemical mechanism model and equivalent circuit model of the battery, and to clarify the cell design and manufacturing process engineering characteristics, to establish the sodium ion battery safety and management system design theory. The main task focus on the sodium ion battery electrochemical reaction kinetics and thermodynamics of interface, to clarify the rate of diffusion of sodium ions transfer process and its influencing factors; To study phase change and the thermal stability of multi-transition metal oxide cathode material and Prussian Blue based cathode materials at different charge-discharge states. The safety evaluation methods for electrode materials and battery will be developed, and the thermal runaway mechanism of sodium ion battery will be also studied. SOC and SOH prediction models for SIB will be proposed. In situ HEXRD, TXM-XANES technology will be firstly used to study material intercalation/deintercalation processes and the thermal stability of sodium ion battery. An international initiative on sodium ion battery device design, fabrication and management system design method will be addressed.

钠离子电池因其独特的资源优势及良好的电化学性能得到储能电池领域广泛关注。目前研究大多集中在钠离子电池材料化学体系的探索，而涉及其电芯设计制造及安全性管理理论的研究寥寥无几。本项目以发展高安全性、长寿命钠离子电池为导向，通过研究材料的结构相变与热行为，构建电池的电化学机理模型和等效电路模型，旨在阐明电池设计与制备过程工程特性，建立钠离子电池安全性及其管理系统设计理论基础。主要研究钠离子电池电化学反应热力学与界面动力学，阐明钠离子传输过程的扩散速率及其影响因素；研究不同嵌/脱钠条件下，多元过渡金属氧化物及普鲁士蓝系正极材料结构相变与热稳定性变化规律，构建电极材料及电池安全性评价方法，揭示钠离子电池热失控机理，提出电池SOC和SOH预测模型。在利用原位HEXRD、TXM-XANES技术研究材料嵌/脱钠过程及热稳定性的方法上有创新。在钠离子电池器件设计、制备与管理系统设计研究属国际首创。

本项目围绕钠离子电池正负极材料改性、中试放大、工艺开发、固态电解质、阻燃电解质、电池设计制造以及电池安全性研究方面开展深入研究。设计了NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料制备中试线，开展了正极材料吨级合成技术研究，并与硬碳负极材料匹配，设计研制了1-10Ah软包钠离子电池，能量密度达到120Wh/kg，1C循环性能超过2500次。利用原位HEXRD和TEM技术对脱钠状态的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料热稳定性进行深入研究，结果表明电解质和电荷状态（SOC）是影响材料热稳定性最关键的因素；.采用紫外光固化技术,以多孔无纺布作为机械支撑体，原位制备了一种具有三维交联结构的含硼塑晶复合聚合物电解质和一种基于聚碳酸亚乙烯酯的新型复合聚合物电解质。考察了聚合物电解质的制备过程特性，电化学反应机制机理及其作为电解质在钠离子电池中的性能表现。设计了一种以磷酸三甲酯和1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚作为溶剂，氟代碳酸乙烯酯作为添加剂的电解液，用于提高电解液不可燃性。.基于开发的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料和优化的电解液，设计了软包型钠离子电池，批量化生产了1.5Ah软包电池。利用ARC测试系统，对所制备的钠离子电池开展热稳定性研究。采用TOYO功率放大器与交流阻抗技术结合，研究了软包电池在不同SOC状态的阻抗特性，为钠离子电池BMS设计理论模型建设提供依据。.项目执行期间，发表学术论文23篇，申报国家发明专利23件，授权6件，国际PCT专利2件。培养博士研究生2名。