Page 22 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 赵春风，等： 动态荷载作用下钠离子电池的失效行为与安全性能分析 第 8 期

的研究进一步证实，在动态冲击下，圆柱形锂离子电池的临界失效载荷随应变率的升高而增大，而软包
电池则减小，电解液状态对其失效机制也有显著影响。
在模组级安全研究层面，Xia 等 [17] 通过系统落锤试验，探究了满电的软包锂离子电池模组在变速
度、质量及冲击方向下的失效行为，发现厚度方向冲击因受限变形最易引发热失控，为电池包底部防护
设计提供了关键依据。Liu 等 [18] 则建立了 18650 电池模组排布参数（角度、行列数、密度）与力学性能的
定量关系模型，揭示了高密度排布降低失效应变的规律，为模组抗撞设计提供了预测工具。
近年来，相关研究表明钠离子电池的安全特性受到机械结构、荷电状态和材料体系等多重因素的复
杂影响。在机械结构完整性方面，Pfaff 等 [19] 采用高速同步辐射 X 射线成像技术揭示了针刺条件下热失
控的新机制：泄压装置的机械失效导致气体排放通道阻塞，引发近乎爆炸的热失控，表明电池安全性不
仅取决于电化学体系，更与机械结构设计密切相关。
在荷电状态与材料热稳定性方面，马宇哲等 [20] 通过平板压缩实验确定了 18650 型钠离子电池在 80%
和 90% 高 SOC 下易发生热失控，临界压缩速度为 14～15 mm/min；Shu 等 [21] 的对比研究进一步证实了
高 SOC 会导致电压剧烈波动和显著温升。而杨馨蓉等 [22] 从材料角度研究发现，硬碳负极的热稳定性随
嵌钠量的增大而降低，但在 30% SOC 下电池表现出最佳安全性能，挤压和针刺测试中均无起火爆炸现象。
在与锂离子电池的安全性能对比方面，Rui 等 [23] 通过球压实验建立了多物理场耦合模型，证明了钠
离子电池在机械滥用下具有独特优势：内短路触发时间更晚，温升更低，且过放电至 0 V 不影响其循环稳
定性。
综上所述，尽管学者们对钠离子电池在机械滥用下的安全特性和失效行为进行了一定的研究，为钠
离子电池的安全设计和应用提供了一定的理论依据和实践指导，然而，现有研究缺乏挤压工况，尤其是
动态冲击条件下钠离子电池的失效行为和安全性能。因此，亟需在此领域开展深入研究，以明确其失效
机制并确定安全边界。
本研究以商用 18650 型钠离子电池为对象，通过径向挤压试验，系统研究挤压速度和荷电状态对电
池力学响应及电压、温度变化特性的影响，弥补在关键机械滥用场景下安全特性研究的不足，并进一步
借鉴 Zhang 等 [11] 的数值方法建立有限元模型，深入分析不同挤压速度下电池的变形模式和失效行为，以
期为钠电池的安全设计提供参考。

1 试 验

1.1 样品制备
选用某国产 18650 型钠离子电池（图 1(a)）为研究对象，所有电池健康状态（state of health, SOH）均为

100%。18650 型钠离子电池的形状为圆柱形，直径为 18.4 mm，长度为 65.3 mm，容量为 1 300 mA·h，标称
电压为 3.1 V，内阻小于 20 mΩ，充电电压为 3.95 V，放电截止电压为 1.50 V，最大充电电流为 1C，最大放
电电流为 3C，质量为 30 g。在进行压缩试验前，采用 CT-4008T-5V12A-S1 电池测试仪对电池进行充放电
循环，如图 1(b) 所示。具体步骤如下：首先，以 1C 速率进行恒流充电至电池达到额定电压，随后转换为
恒压充电，直至充电电流衰减至 0.02C 以下；此后，电池静置 5 min；接着，以 1C 速率进行恒流放电至截止
电压，再转换为恒压放电，直至放电电流降至 0.02C 以下。上述完整循环重复进行 3 次，以消除初始容量
差异，并充分激活电极材料。经此过程得到完全放电状态下的电池，再根据试验需要恒流恒压充电至不
同 SOC，并在设定 SOC 下静置足够时间（不小于 2 h），以确保电压平衡。
1.2 挤压试验

试验前，使用点焊机将铝制电极片焊接于电池正负极，见图 1(c)，并通过导线连接至电池测试仪；电
极片及连接处均进行绝缘处理，以消除外部短路对试验结果的影响。电池挤压侧边中心处固定 K 型热
电偶（测温端以高温绝缘胶带固定），用于实时监测温度。试验过程及数据采集（包括试验力、变形、温
度、电压等）由计算机统一控制与同步采集软件协调执行，确保各参数同步记录。

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