中国科学院青岛能源所崔光磊课题组Adv. Energy Mater.：钠离子电池真的比锂离子电池更安全吗？

第一作者：李川川

通讯作者：许高洁*，赵井文*，崔光磊*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

钠离子电池因资源丰富、成本低廉及环境友好等优势，被广泛视为锂离子电池的有力补充与潜在替代技术，尤其在储能及低成本应用领域展现出巨大潜力。然而，锂离子电池中屡见不鲜的安全事故是否会在钠离子电池上重演，仍是一个悬而未决的问题，也为其发展前景蒙上了不确定的阴影。鉴于此，本篇观点文章基于基本原理与可验证的实验数据，对钠离子电池的安全性进行了重新审视，旨在回答两个核心问题：钠离子电池的本质安全水平究竟如何？其安全失效机制与锂离子电池相比有何根本差异？

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员课题组在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Assessment of Safety Concerns in Sodium-Ion Batteries”的观点文章。该文章从微观机理到宏观电池层面系统论证了钠离子电池存在固有的安全风险（图1），其根源在于硬碳负极中形成的准金属态高活性钠簇，从而引发热失控。本研究从全尺度视角揭示了钠离子电池热失控的独特起源机制，为钠离子电池在规模化应用前的安全设计提供了重要的理论依据和实验参考。这一发现不仅为未来钠离子电池的安全评估与标准制定提供了科学参考，也向学术界和产业界敲响了在追求性能与成本优势之外必须优先保障安全性的警钟。

在钠离子电池的硬碳负极中，钠离子在常规钠化过程中不仅以离子态嵌入硬碳结构，还会形成准金属态的钠簇。相比之下，锂离子在锂离子电池的石墨负极中以稳定的层间嵌入离子态存在，且嵌锂结构均匀、电子密度分布稳定。而钠簇的化学态更接近金属钠，通常直径仅为1−2 nm，其形成和分布受硬碳孔隙结构、表面化学基团及局部电子环境的共同影响。纳米尺度使其表面原子比例显著提高，表面能明显高于体相钠金属。同时，钠簇具有较高的电子密度，其费米能级处的电子态密度甚至超过体相钠金属，电子富集效应进一步增强了其化学反应性。这种储状态显著提升了局部反应活性，使钠簇在极端条件下更易触发快速氧化反应，释放大量热量，并加速电解液分解和气体生成，形成正反馈的热失控链条（图2）。此外，钠簇之间可能发生局部电子耦合和迁移，进一步加剧反应的非均匀性，导致局部过热甚至形成“热点”，成为热失控的微观起点。综上，硬碳负极中的钠簇不仅是电化学储能过程中的关键活性物种，也在热失控中扮演核心角色。深入理解钠簇的形成机理、电子结构及其与电解液的相互作用，对于设计高安全性的钠离子电池负极材料具有重要指导意义。

研究不仅聚焦于微观材料层面的反应机理，还延伸至宏观电池的整体热安全表现。通过对安时级电池的系统化热失控测试发现，钠离子电池在自产热起始温度方面普遍低于同类锂离子电池，显示出更高的安全风险（图3）。

崔光磊，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国家深海和极地关键技术与装备专项超高比能固态锂电池项目首席科学家、中科院战略性先导性科技专项A类项目深海智能技术副总师、国家“万人计划”，科技部中青年科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。曾获得中科院“百人计划”终期评估“优秀”、山东省技术发明一等奖、山东省自然科学一等奖、青岛市自然科学一等奖、青岛市科技进步（颠覆性技术探索类）一等奖等奖项。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位，2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。2009年2月以中科院百人计划研究员到中科院青岛生物能源与过程所工作，现任深海电源系统山东省工程研究中心主任，先进储能技术研究室主任，青岛储能产业技术研究院执行院长、中科丰元高性能锂电池材料研究院执行院长，国际聚合物电解质委员会理事、中国造船工程学会第一届深海装备技术学术委员会委员、国际储能与创新联盟理事、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、中国化学会电化学专业委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员、中国化学会能源化学专业委员会委员、Macromolecular Chemistry and Physics国际咨询委员会委员、Battery Energy期刊副主编等。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Energy、Nat. Sustain.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等发表文章400多篇，他引30000多次。2022年、2023年被评为科睿唯安“全球高被引科学家”（交叉领域）。

赵井文，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员。2015年博士毕业于北京化工大学，2014年公派赴牛津大学化学系访问。专注于低成本、资源丰富型储能电池的研究，聚焦失效机理、电解质结构及离子输运中的科学问题，并自主开发集成工艺及装备。承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上/青年项目，山东省自然科学基金重大基础/优秀青年项目以及相关横向项目。发表论文70余篇，其中以第一或通讯作者在Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.、Joule等杂志发表论文30余篇（ESI高被引论文6篇，热点论文3篇），入选全球前2%和前10万顶尖科学家榜单。申请国家发明专利10余项，授权8项。

许高洁，中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员。自2010年起在崔光磊研究员课题组从事下一代锂/钠电池电解质、电极材料和隔膜的开发，同时致力于电池工艺和电池安全性的研究。迄今为止，以（含共同）通讯作者和第一作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci. 等期刊发表论文40余篇。申请中国专利12项，其中授权7项（其中2项实现转让）。

李川川，中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员，2014年和2019年分别获得山东大学大学化学与化工学院理学学士和博士学位，2019年至2022年在中国科学院青岛生物能源与过程研究所从事博士后研究，2022年留所至今先后任助理研究员、项目副研究员和副研究员。长期从事于高比能、低成本二次电池体系的研究。共发表论文30余篇，其中以第一/通讯作者在能源、材料和化学等方面的国际权威杂志发表论文10余篇。作为项目负责人承担国家自然科学基金青年科学基金项目和山东省自然科学基金青年基金项目等。