实用化钠离子全电池的构建和安全性相关的充放电过程热力学与动力学研究及热电耦合模拟

Nowadays, the research on sodium-ion battery (SIB) is very hot as a new battery system. After years’ effort, many promising cathode and anode materials have emerged. However, the fabrication of practical full cells is still at its initial stage and safety concern is one key issue for battery application. In this project, P2-type Na2/3Mgx(Ni1/3Mn2/3)1-xO2 cathode material will be prepared by PVP gel-combustion method and hard carbon anode material will be prepared by heating pinecone. Then SIB full cell will be fabricated and the electrochemical performance and heat generation during charge-discharge will be studied. Through research on thermodynamics and kinetics of cathode and anode during charge-discharge, the dominating parameter of heat generation will be determined. Then the heat production in SIB and cell temperature evolution under various working conditions will be calculated quantitatively by thermal-electrochemical modeling. The influence on heat generation inside the cell of various parameters, such as material preparation conditions, structure, morphology, and full-cell design pattern, will be evaluated. This project will be helpful for constructing method of controlling SIB’s temperature, and will be significantly meaningful for improving the safety, electrochemical performance and life of SIB.

目前，关于钠离子电池的研究已经成为电池领域新的热点。经过近年来的研究，已经出现了一些具有实用化前景的正负极材料。但是针对钠离子全电池的研究还处于起步阶段，其中电池的安全性是最为重要的问题之一。本项目拟通过申请者所创立的PVP凝胶燃烧法合成P2结构的Na2/3Mgx(Ni1/3Mn2/3)1-xO2正极材料，通过煅烧松果炭的方法制备硬炭负极材料，并制备全电池和研究全电池的电化学性能和充放电过程中的产热。通过研究正负极在充放电过程中的热力学和动力学，得到钠离子电池产热的主要决定性因素，进而通过热电耦合模拟，定量地得到电池在任意工作状态下的产热情况和温度变化情况。研究正负极材料的制备条件和结构、形貌等性质以及全电池设计参数对电池充放电时产热的影响。本项目的实施将有助于针对性地建立对钠离子电池进行温度控制的方法，对提高钠离子电池的安全性、电化学性能和工作寿命都具有重要意义。

由于大规模储能日益增长的需要，原料资源丰富价格低廉的钠离子电池研究就成为电池领域新的热点。经过近年来的研究，一些具有实用化前景的正负极材料相继出现。但是针对钠离子全电池的研究还处于起步阶段，其中电池的安全性是最为重要的问题之一，却甚少相关研究。本项目通过申请者所创立的PVP凝胶燃烧法合成了一系列高性能的P2结构的Na2/3Mgx(Ni1/3Mn2/3)1-xO2正极材料，通过煅烧松果炭的方法制备了较高容量、首次效率和循环性能的硬炭负极材料，并制备了全电池，研究了全电池的电化学性能和充放电过程中的产热规律。通过研究正负极在充放电过程中的热力学和动力学，得到了钠离子电池产热的定量化的决定性因素，计算了电池在不同工作状态下的产热情况。制备的全电池能量密度为240 Wh kg-1，循环200次，容量保持率为83%。研究发现，当锂离子浓度较低时，不可逆热对总生热贡献较大，随着锂离子浓度的逐渐升高，可逆热占主导地位。本项目的研究结果有助于人们深化全电池在充放电过程中产热量规律的认识，从而为研究开发主动热管理系统提供参考。