类型a：学术研究报告

本研究由广东工业大学材料与能源学院的徐涵（Xu Han）在导师张国庆教授（Prof. Zhang Guoqing）和校外导师阳楚雄中级工程师的指导下完成，论文答辩日期为2025年5月22日。该研究以《钠离子电池衰退行为与性能优化研究》（Study on Degradation Behavior and Performance Optimization of Sodium-ion Batteries）为题，是广东工业大学材料与化工硕士学位论文。

学术背景 在全球能源结构转型背景下，锂离子电池（LIBs）面临锂资源分布不均和热安全风险等问题，而钠离子电池（SIBs）因其资源丰富、成本低廉以及与LIBs相似的工作原理，成为极具潜力的替代技术。尽管LIBs的衰退机制已有较完善的理论体系，但SIBs的研究主要集中在电极材料和电解液优化领域，对其系统性衰退规律的研究仍显不足。此外，SIBs的性能还受关键组件（如集流体）适配性的制约。本研究旨在通过对比LIBs和SIBs的电化学与产热行为，揭示其衰退规律差异，并通过优化集流体设计提升SIBs性能。

研究流程 研究分为两部分：
1. 电化学与产热行为对比研究
- 研究对象：商用磷酸铁锂电池（LiFePO4/C）和钠离子电池（Na(Ni0.4Fe0.2Mn0.4)O2/HC）。
- 实验设计：
- 环境温度测试：在0°C、10°C、25°C、45°C下测试放电容量和容量保持率。
- 倍率测试：在0.5 C至3 C范围内分析充放电平台、循环稳定性及交流阻抗。
- 过充测试：设置5%、10%、15%过充程度，评估容量衰减和热行为差异。
- 热失控测试：对过充后的电池进行加热，监测温度变化。
- 微观表征：拆解电池后，通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）观察电极形貌与成分变化。

1. 集流体优化研究
   
   • 研究对象：自组装钠离子软包电池（Na3V2(PO4)3/HC），采用不同厚度（4.5 μm、6 μm、8 μm、10 μm）的铜箔和10 μm铝箔作为负极集流体。
     
   • 极片层测试：包括电阻、抗拉强度、剥离力和耐腐蚀性测试。
     
   • 电芯层测试：评估电池电阻、循环性能、倍率性能和产热行为。
     
   • 数据分析：结合极片与电芯性能，筛选最优集流体参数。
     

主要结果
1. 电化学行为对比：
- 在0°C时，SIBs的容量保持率比LIBs高13.93%，但在其他温度下差异不显著（0.5%~0.8%）。
- 高倍率（3 C）下，SIBs容量衰减更快；过充条件下，SIBs的容量衰退和健康状态（SOH）损伤更严重。

1. 产热与热安全性：

   • 正常倍率下，SIBs温升比LIBs低2.683°C，但在15%过充时温升更高（+1.53°C）。
     
   • 热失控测试中，SIBs最高温度达273.9°C，而LIBs未发生热失控。
     

2. 集流体优化：

   • 铜箔在导电性、力学性能和界面稳定性上优于铝箔。8 μm铜箔组装的电池初始容量最接近设计值，10 μm铜箔次之。
     
   • 薄铜箔（4.5 μm、6 μm）产热显著，适当增加厚度可降低温升。综合性能表明，10 μm铜箔为最佳选择。
     

结论与价值
本研究系统揭示了SIBs与LIBs在电化学和热行为上的差异，为SIBs的衰退机制提供了理论依据。通过集流体优化，明确了铜箔厚度对电池性能的影响规律，为SIBs的工程化设计提供了重要指导。其科学价值在于填补了SIBs系统性衰退研究的空白，应用价值则体现在提升电池安全性和循环寿命的实践方案中。

研究亮点
1. 首次对比了LIBs与SIBs在多因素（温度、倍率、过充）下的衰退行为差异。
2. 提出基于集流体厚度优化的性能提升策略，并通过“极片层-电芯层”多尺度验证。
3. 结合电化学测试与微观表征，建立了材料结构演变与宏观性能的关联模型。

其他价值
研究还发现，SIBs在低温环境下表现优于LIBs，这为寒冷地区储能应用提供了潜在优势。此外，铜箔集流体的耐腐蚀性数据为电解液配方开发提供了参考。