钠离子电池作为锂离子电池的有力补充与潜在替代技术，近年来受到广泛关注。学术界和产业界普遍认为，钠离子电池在能量密度较低、电极材料热稳定性高的前提下，其安全性应当优于锂离子电池。然而，青岛能源所固态能源系统技术中心在系统研究中发现，这一认识并不完全正确。在常规电池体系下，钠离子电池同样存在显著的安全隐患，其热失控风险甚至高于锂离子电池。根源在于硬碳负极中形成的准金属态高活性钠簇，可诱发电解液剧烈分解并触发热失控的链式反应。

针对这一问题，研究团队围绕“问题发现−机理揭示−策略调控”的逻辑主线，提出并验证了包括隔膜改性、电解液体系调控以及固态电解质构筑在内的多维度安全优化方案，并发展了高安全聚合物基固态钠电池的技术路线，实现了从热失控机理认识到安全性本征提升的系列进展。

研究团队首先通过多尺度表征与理论计算系统揭示了钠离子电池热失控的微观起源。结果表明，在硬碳负极中，钠离子在常规钠化过程中不仅以离子态形式嵌入碳结构，还会生成被认为具有“准金属”特征的钠簇。相比之下，锂离子在锂离子电池石墨负极中以稳定的层间嵌入态存在，分布均匀、电子密度分布稳定。研究发现，这些钠簇的化学状态更接近金属钠，通常直径仅为1−2 nm，其形成与分布受硬碳孔隙结构、表面化学基团及局部电子环境的协同影响。纳米尺度使其表面原子比例显著提高，表面能远高于体相钠金属；重要的是，团队通过固态核磁弛豫技术首次捕捉到硬碳中钠簇转瞬即逝的弛豫信号，发现在费米能级附近具有比钠金属更高的电子密度，这意味着钠簇并不是传统认知的“准金属”态，而更应该成为“强金属”态。

结合绝热量热测试结果，研究团队确认电子富集效应显著增强了钠簇的化学反应活性，在极端条件下易诱发快速氧化还原反应，释放大量热量并加速电解液分解与气体生成，形成正反馈的热失控链条（图1）。此外，钠簇间可能存在电子耦合与迁移行为，进一步加剧反应的空间非均匀性，导致局部过热甚至形成“热点”，成为热失控的微观起点（Energy Environ. Sci.2025, 18, 2474；Adv. Energy Mater.2025, 15, e03209）。

图1（a）硬碳中钠簇形态（b）不同SOC下硬碳负极放热行为演变（c）硬碳负极热失控机理的流程图（d）20 Ah钠离子电池的热安全潜在危险

基于微观机理的揭示，研究团队开展了安时级钠离子电池的系统化热安全评估。结果显示，钠离子电池在安时级电芯测试中，其自产热起始温度普遍低于同类型锂离子电池，表明其更易发生热失控。这一宏观测试结果与微观机理分析高度一致，验证了钠簇在热失控触发与演化过程中的关键作用，进一步表明钠离子电池存在被低估的热失控安全风险。

需要指出的是，新型电池的应用，尤其在新兴领域，需要充分认识电池的失控行为。当前，钠电正处于向产业化迈进的关键时刻，硬碳仍然是目前产业化最可行的负极材料。随着生产规模的不断扩大及能量密度的提升，深刻理解其热安全背后的物化本质显得尤为重要，以便有效防控，确保健康发展。

针对热失控问题，研究团队围绕“源头削弱”与“路径阻断”两大思路，提出并验证了多维度安全调控策略。其中，通过采用多功能聚酰亚胺（PI）隔膜构筑热响应性阻燃层，可在电池温升过程中原位形成隔离阻燃屏障，实现自抑制反应并显著延缓热扩散。同时，PI隔膜可调控纳离子溶剂化结构，促进稳定的电极/电解液界面形成，降低界面副反应的发生（ACS Energy Lett.2025, 10, 3941）。该策略在安时级电芯中表现出优异的热安全性能：自产热起始温度提升约10 ℃，热失控触发温度提升约24 ℃，显著延缓热失控传播，并首次实现钠离子电池在90 ℃极端温度下的稳定运行。在电解液方面，团队通过引入功能性添加剂二氟二草酸磷酸钠，在负极界面构筑了热稳定、抗溶解的界面结构，降低钠簇活性与副反应速率，从根本上削弱热失控的触发条件，显著提升了电池的高温循环稳定性与安全性（Adv. Sci.2025, 12, 2502860）。

进一步，研究团队提出以聚合物固态电解质取代传统液态体系的固态钠电池技术路线，发展了基于共熔化学的电极/电解质一体化融合新策略，结合干湿法制膜工艺以及化成−原位聚合耦合技术，搭建了全链条电池制造平台，实现100−140 Wh kg⁻¹系列型号固态钠电芯的工艺定型，完成在电动两轮车、离网智慧微电网系统的示范应用。最近，团队创新性提出了基于二次聚合的电池安全自防护技术。当温度超过120 ℃时，原位聚合固态电解质中的异氰酸酯和脲交联，阻断气、液物质在正负极之间串扰，热失控温度延迟40 ℃以上（Nat. Commun.2025, 16, 2979）。

该系列研究揭示了钠离子电池热失控的独特起源机制，颠覆了“钠电更安全”的传统认知，建立了从微观机理解析到体系级安全调控的完整研究框架。相关成果为钠离子电池的本征安全设计提供了理论依据与实践路径，对推动新一代高安全储能体系的发展具有重要科学意义和应用价值。（文/图 李川川）

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57964-7

Li Du, Gaojie Xu*, Chenghao Sun, Yu-Han Zhang, Huanrui Zhang*, Tiantian Dong*, Lang Huang, Jun Ma, Fu Sun, Chuanchuan Li, Xiangchun Zhuang, Shenghang Zhang, Jiedong Li, Bin Xie, Jinzhi Wang, Jingwen Zhao, Jiangwei Ju, Zhiwei Hu, Fan-Hsiu Chang, Chang-Yang Kuo, Chien-Te Chen, André Hilger, Ingo Manke, Shanmu Dong & Guanglei Cui*, Smart gel polymer electrolytes enlightening high safety and long life sodium ion batteries， Nat. Commun. 2025, 16, 2979.