First Look at Safety and Performance Evaluation of Commercial Sodium-ion Batteries

电解质 阴极 热失控 离子 材料科学 化学工程 电极 化学 冶金 电池(电) 工程类 物理 物理化学 功率(物理) 有机化学 量子力学
作者
Rachel Carter,Gordon H. Waller,Connor Jacob,Dillon Hayman,Patrick J. West,Corey T. Love
标识
DOI:10.20944/preprints202412.1924.v1
摘要

Herein we investigate the performance and safety of four of the early-stage, commercial Na-ion batteries available in 2024, representing the most popular cathode types across research and commercialization: polyanion (Na-VPF), layered metal oxide (Na-NMF), and Prussian blue analog (Na-tmCN). The cells deliver a wide range of energy density with the Na-tmCN delivering the least (23 Wh/kg) and Na-NMF delivering the most (127 Wh/kg). Capacity retention under specified cycling conditions and with periodic 0V excursions was the most robust for the Na-tmCN cells in both cases. Accelerating rate calorimetry (ARC) and nail penetration testing finds that Na-NMF cells do undergo thermal runaway in response to abuse, while the Na-VPF and Na-tmCN exhibit only low self-heating rates (<1 °C/min). During these safety tests, all cells exhibited off-gassing, so we conducted in-line FTIR equipped with a heated gas cell to detect CO, CO2, CH4, toxic acid gases (HCN, HF, NH3), and typical electrolyte components (carbonate ester solvents). Gases similar to those detected during Li-ion failures were found in addition to HCN for the Na-tmCN cell. Our work compares different types of commercial Na-ion batteries for the first time allowing for a more wholistic comparison of the safety and performance tradeoffs for different Na-ion cathode types emerging in 2024.

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