在全球能源转型进程中，固态电池竞赛已逐步演变为国家竞争，且固态电池已被纳入《中国制造2025》白皮书，然而锂离子电池系统的热失控风险已成为制约产业发展的关键性技术瓶颈，锂电储能系统年均事故量已攀升至3.2万例，这促使全球科研界重新审视新能源技术的安全基准，构建本质安全型储能体系成为下一代能源技术的核心诉求。作为新型储能技术的重要分支，钠离子电池凭借其资源丰度和成本优势，在过去十年实现了能量密度从初始的90 Wh/kg提升至160 Wh/kg水平，循环寿命突破4000次阈值。然而在安全性能研究领域，该技术体系仍呈现出显著的路径依赖特征，即现有研究普遍沿袭锂离子电池的经典热失控理论框架，在关键材料和电芯层面存在诸多科学争议。这种基础研究层面的认知分歧，导致当前钠离子电池安全标准体系构建面临理论支撑不足的困境，因而突破现有研究范式，建立基于钠离子本征特性的安全评价模型，已成为该领域亟待解决的关键科学问题。

为了解答“钠电池是否比锂电池更安全”这一长期争论的议题，青岛能源所固态能源系统技术中心首次构建“从原子行为到系统失效”的全尺度安全分析模型，并发表题为“Sodium clusters-driven safety concerns of sodium-ion batteries”的研究论文。该工作成功建立了钠离子电池宏观安全性与微观钠离子存储环境之间的联系，基于从安时级电池到材料的全尺度分析，发现钠离子电池本质热安全性低于锂离子电池。这一颠覆性结论源自对硬碳负极“离子-钠簇”双态存储机制的深度解码——钠簇在费米能级的电子活跃度超过金属钠本身，形成堪比微型核反应的“电子风暴”。

当电池荷电状态突破临界值，硬碳负极内潜伏的钠簇便化身“定时炸弹”。实验数据显示，这些纳米级金属团簇可使自放热起始温度提前至92℃，比锂电池更早触发热失控链式反应（见图1），而且每个钠簇都像微型催化剂，通过加速电解液分解，进一步压缩“热失控-燃爆”的时间尺度。

图1.（a）钠离子电池和锂离子电池软包热失控模式对比。（b）碱金属离子在硬碳和石墨负极中的演化趋势。（c）钠簇与LiC₆与其相应金属的金属性对比。

本工作不仅打破了传统安全评估体系的认知，更开创了“量子尺度-材料界面-系统安全”三位一体的研究范式。固态核磁弛豫技术，如同给微观钠原子装上“量子显微镜”，首次捕捉到硬碳中钠簇转瞬即逝的弛豫信号，结合绝热量热技术，进而实现对电池热失效行为的宏观阐释。研究表明在常规运行中钠离子电池同样面临着比锂离子电池更大的安全风险，更提醒了产业界在钠离子电池迈向大规模实际应用的征程前，热安全系统性评价及机理研究刻不容缓，并以此为指引，全力发展破解电池安全困局的关键技术。唯有将“安全基因”深植技术命脉，方能行稳致远。

固态化是破解钠离子电池在能量密度和安全性之间矛盾的关键策略。利用固态电解质替代传统液态电解质根本上消除了电池放热反应的燃料，切断热失控的开启反应，还可以兼容更高容量和电压的电极体系，提升能量密度。

相关工作发表在国际学术期刊Energy & Environmental Science。青岛能源所固态能源系统技术中心牛嘉平、董峻源和张宵虎为共同第一作者，崔光磊研究员、赵井文研究员和黄浪副研究员为论文通讯作者。以上工作得到国家自然科学基金、山东自然科学基金、青岛市关键技术攻关等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE05509H

Jiaping Niu, Junyuan Dong, Xiaohu Zhang, Lang Huang*, Guoli Lu, Xiaolei Han, Jinzhi Wang, Tianyu Gong, Zheng Chen, Jingwen Zhao* and Guanglei Cui*. Energy Environ. Sci.,2025.

钠电池布局的其他相关工作如下：

固态能源系统技术中心深耕固态电池领域近20载，从最初创新提出“刚柔并济”的固态电解质新范式，以及独具匠心的“原位固化”工艺，到近期成功实现聚合物/硫化物复合全固态电池的批量生产，静心笃志攻克固态电池科学难题，引领固态电池产业技术发展。自2011年，固态能源系统技术中心在固态钠电池亦有深远布局，建立了完善的知识产权体系，研发重点围绕着“高能量密度、高安全性、低成本”继续不断探索，从钠盐/聚合单体分子设计、低内能无机电解质、共熔原位固化技术、亚硫酰氯基高能电池等多个层级维度去革新钠电池发展，成功完成了多型号的固态钠离子电池产品批量制备及应用示范（见图2），引领着钠电池技术朝着更加高效、安全、经济的方向大步迈进。（文/图 牛嘉平）

图2. 多型号的固态钠离子电池产品批量制备及应用示范

Lu, Guoli, et al. "Eutectic Perturbations Enhance Multivalent-Cation Structural Diffusion in Salt-Concentrated Polymer Electrolytes." ACS Energy Letters 10.1 (2024): 296-304.

Li, Chuanchuan, et al. "Nonaqueous Liquid Electrolytes for Sodium‐Ion Batteries: Fundamentals, Progress and Perspectives." Advanced Energy Materials 13.40 (2023): 2301758.

Liu, Tingting, et al. "A Bio‐Inspired Methylation Approach to Salt‐Concentrated Hydrogel Electrolytes for Long‐Life Rechargeable Batteries." Angewandte Chemie 135.43 (2023): e202311589.