钠离子电池（SIBs）由于成本低、原材料丰富以及电化学性能与锂离子电池相当而受到了广泛关注。与锂离子电池相比，SIBs受益于丰富且分布广泛的钠资源，这显著降低了成本[1]。此外，SIBs提供的能量密度和循环稳定性与锂离子电池相当，使其成为一种可行的替代品[2,3]。然而，SIBs的快速充电安全性仍然是商业化道路上的一个关键挑战。快速充电过程中可能出现的潜在安全问题包括钠枝晶的形成、固体电解质界面（SEI）的不稳定性[4,5]以及由此导致的热失控风险[6,7]。在快速充电过程中，钠离子在阳极表面的非均匀沉积容易导致钠枝晶的形成[8,9]。这些枝晶可能会穿透隔膜，引起电池内部短路，从而可能引发热失控和安全事故[[10], [11], [12]]。与锂金属相比，钠金属在有机电解质中更不稳定，进一步加剧了枝晶的生长[13]。此外，钠金属的高反应性导致SEI膜不稳定，容易发生消耗电解质的副反应，增加界面阻抗，最终影响电池的循环寿命和安全性[[14], [15], [16]]。更重要的是，如果在快速充电过程中产生的焦耳热不能及时散失，将导致温度急剧上升[16]。温度上升不仅会加速上述副反应和枝晶生长，还会创建“温度上升 - 副反应”的正反馈循环，最终引发热失控[10,17]。这可能导致燃烧和爆炸等灾难性事故[18,19]。因此，在快速充电过程中进行有效的热管理对于确保SIBs的安全性至关重要。
对于可充电二次电池的充电管理，恒流-恒压（CC-CV）策略由于其简单性和易于实施而在商业应用中仍然是主流[[20], [21], [22], [23]]。如图1(a)所示，该策略包括两个阶段：恒流（CC）和恒压（CV）。在CC阶段，充电电流保持恒定；在CV阶段，电压保持恒定水平，同时充电电流逐渐减小。尽管这种方法成本低廉，但在CC充电阶段电池表面温度会显著升高，CV充电阶段的充电时间也会延长。因此，CC-CV充电技术经常面临整体充电温度高、充电时间长和循环寿命短等问题。为了解决这些问题并提高电池的寿命和性能[22,23]，研究人员提出了多阶段恒流充电策略，如图1(b)所示的基于电压的多阶段恒流充电策略（MSCC-V）和图1(c)所示的基于状态容量（SOC）的多阶段恒流充电策略（MSCC-SOC）。对于锂离子电池（LIBs），许多研究表明，将MSCC策略与智能优化算法（如粒子群优化、灰狼优化、郊狼优化、田口方法等[[24], [25], [26], [27], [28], [29]]）结合使用可以有效降低充电温度上升，缩短充电时间，并延长电池寿命。例如，陈[30]等人提出了一种基于灰狼优化的五阶段MSCC策略，将LIBs的最大温度上升降低了25.99%，充电时间缩短了5.33%，循环寿命增加了79.6%。黄[31]等人使用郊狼优化算法设计了MSCC策略，实现了充电时间减少34.0%和最大温度上升减少26.0%的显著效果。然而，这些现有的LIBs MSCC充电策略和优化算法高度依赖于LIBs的具体电化学动力学和热行为模型。这些模型通常基于LIBs较低的阻抗、特定的离子扩散率、稳定的SEI演变模式以及由此产生的热量产生模式，这些已经通过长期的大量研究得到验证。相比之下，SIBs的Na+半径大于Li+，导致插层/脱层动力学较慢，电极材料中的扩散阻抗较高。这直接导致更高的欧姆热和极化热[28,29]。更重要的是，SIBs在快速充电过程中的较高温度上升会显著加速钠枝晶的生长和SEI失效，形成恶性循环。现有的LIBs MSCC策略的热管理目标没有充分考虑SIBs枝晶对温度的特殊敏感性。因此，直接将LIBs的优化策略应用于SIBs是不可行的。
目前关于SIBs充电的研究主要集中在单速率恒流或CC-CV策略上，对于针对热性能优化的多阶段策略的探索有限。虽然单速率恒流充电易于实施，但它无法适应SOC变化引起的热量产生的变化，导致高速率充电时温度上升过多。例如，赵[32]等人成功开发了一种能够进行3C快速充电的安培级钠离子软包电池，但采用的充电策略是传统的CC-CV方法。尽管CC-CV协议可以通过其恒压阶段减轻高SOC水平下的热效应，但充电时间通常会延长，这无法满足对超快充电的日益增长的需求。值得注意的是，业界对快速充电钠电池的需求已经非常迫切。2025年4月21日，CATL在其“超级技术日”上发布了其新的钠电池和Xiao Yao双核电池，这两种电池都强调了它们在快速充电能力方面的潜力，以满足电动汽车等应用中对快速能量补充的强烈需求。这一现实需求凸显了开发高效且安全的SIBs快速充电策略的紧迫性。然而，关于快速充电SIBs的热管理的深入优化研究，特别是关于动态电流调整的MSCC策略的研究仍然有限。因此，开发一种针对SIBs热特性进行优化的多阶段恒流快速充电策略，以解决快速充电过程中独特而严重的热管理挑战，并满足行业的实际需求，是一个亟待解决的紧迫问题。
本研究旨在为18650钠离子电池开发一种最优的多阶段恒流充电策略。因此，这项工作通过开发首个明确针对SIBs独特热特性进行优化的多阶段恒流快速充电策略，填补了一个关键空白。本工作的整体工作流程如图1所示，旨在在实现目标充电时间的同时最小化温度上升。通过实验和建模获得了不同充电速率和SOC下SIBs的温度上升率，揭示了关键的热行为模式。钠离子电池的快速充电过程可以分为三个不同的温度上升区域：初始快速加热；中间逐渐加热；以及最终加热峰值（见补充图S1）。这些区域位于10%-90% SOC范围内，需要定制的充电策略来减少过度的热量产生，特别是在温度上升迅速的初始和最终阶段。为了解决这个问题，将充电间隔划分为多个段，并使用APSO算法确定了最优充电策略。以下部分将详细阐述这种方法的细节和所得策略。
