SSB蓄电池阻燃改性细菌纤维素气凝胶的隔热机制与性能评估：面向锂离子电池热失控传播防护

2026-03-05 09:06:25

摘要

在相邻电池单元间加入隔热材料是抑制热失控传播（TRP）的一种广泛采用且有效的策略。然而，商用隔热材料通常存在隔热性能不足、抗高温冲击能力差以及材料脆性等问题。本研究开发了一种由纳米羟基磷灰石（HAP）和聚磷酸铵（APP）改性的阻燃细菌纤维素气凝胶（BHA），可有效抑制TRP。BHA材料展现出极低的热导率和卓越的阻燃特性，仅需1秒即可实现自熄。通过系列实验研究了不同厚度（2毫米、1.5毫米和1毫米）BHA对18,650型电池模块热失控传播（TRP）的抑制效果。实验结果表明，1毫米厚的BHA绝缘材料可有效抑制TRP，而2毫米厚的BHA则能完全阻断电芯间的热失控传播，使第三层级电池保持满容量状态。此外，基于小尺度实验获取的材料数据，研究者通过数值模拟将结论外推至大尺度电池场景。针对280安时磷酸铁锂（LiFePO₄使用COMSOL对电池组的仿真分析表明，2毫米厚的电池隔热层（BHA）能有效将相邻电芯的温度维持在热失控触发阈值以下。

图形摘要

引言

锂离子电池（LIBs）因其高比能量、长循环寿命和低自放电率等特点，近年来发展迅速[1][2]。然而，随着锂电池需求的持续增长，其安全问题日益凸显。在热滥用或机械滥用等极端条件下[3][4]，锂离子电池可能发生热失控（TR）[5][6]，释放大量可燃气体与热量，进而引发火灾甚至爆炸，对人员生命财产安全构成重大威胁。此外，若单个电芯发生热失控且电池模组缺乏足够的安全措施，故障电芯产生的热量将传导至相邻电芯，从而触发级联热失控反应。这种现象会导致热失控蔓延（TRP）[7][8]扩散至整个模组，引发严重的火灾或爆炸事故。为此，研究人员致力于探索阻止电池模组内热失控（TR）蔓延的有效方法[9]。
为阻止热失控(TR)热量在模组内传播，常见方法包括利用模组的热管理系统[10]或采用相变冷却技术[11]来缓解热量积聚。Vennapusa等[12]研究了一种由活性炭吸附相变材料(PCM)构成的新型复合材料，其融合潜热达130 kJ·kg⁻¹并且能够通过相变有效吸收热量。然而，相变材料在相变后可能变得易燃，且隔热性能相对较弱。另一种广泛应用的方法是在电池间加入阻燃隔热材料[13]，以阻断热失控热量的传递。Yu等[14]通过整合纳米纤维气凝胶、颗粒气凝胶和固体微球，合成了柔性莫来石纳米纤维，用于防止大尺寸磷酸铁锂电池模块中的热失控传播。他们通过改变隔热材料的厚度和构型，分析了间隙材料的预防效果。Liu等[15]通过简易的碱催化溶胶-凝胶浸渍工艺开发了一种二氧化硅气凝胶复合材料。这种厚度为2.35毫米的复合材料有效抑制了商用电池中的热失控传播（TRP）。Mao等[16]研究了二氧化硅气凝胶与硅酸铝纤维复合气凝胶，通过40%应变循环压缩和0.5-200 Hz频率动态力学分析，验证了该气凝胶热障的力学性能。Jiang等[17]采用溶胶-凝胶和超临界干燥技术制备二氧化硅气凝胶隔热片，将导热系数降至0.018±0.001 W/(m·K)，有效提升了电池热管理效率。因此，在电芯间添加隔热材料是防止失效电芯热量向相邻电芯传递的有效策略[18]。然而，采用隔热材料会导致电池模块能量密度降低。为缓解这一问题，必须选用更轻质且具有优异隔热性能的材料。
细菌纤维素气凝胶（BC）因其低密度、低导热系数和高比表面积，被公认为最具发展前景的高性能隔热材料之一[19]。张等[20]通过双向冷冻技术开发出一种双向各向异性聚酰亚胺/细菌纤维素气凝胶，该材料展现出优异的结构成型性、高机械强度和卓越的隔热性能，其导热系数可低至23毫瓦·米⁻¹·开⁻¹此外，Ou等人[21]通过将细菌纤维素（BC）融入气凝胶骨架并利用氢键和物理缠结增强结构，制备出一种兼具高效吸附与绝热性能的细菌纤维素复合气凝胶。然而，细菌纤维素的可燃性需通过改性处理来降低其燃烧性，方能提升其作为绝热材料的实用效能。
因此，本研究通过采用纳米羟基磷灰石（HAP）和聚磷酸铵（APP）对细菌纤维素（BC）纤维进行改性，创新性地开发出一种锂离子电池用阻燃隔热材料（BHA），显著提升了材料的阻燃性能。BC提供了必要的力学性能和低导热系数，HAP增强了多孔纤维骨架结构，而APP则赋予材料优异的阻燃特性。针对不同厚度BHA在18650电池模组内抑制热失控传播（TRP）的实际效果进行了研究。结果表明，2毫米厚的BHA可完全阻断热失控传播。此外，COMSOL模拟显示，在大容量280安时磷酸铁锂（LFP）电池包中，2毫米BHA可将相邻电芯温度抑制在96.1℃以下。本研究旨在开发并验证一种通用型高性能热障材料及其应用策略，通过连接实验室规模的机理验证与工程规模的可行性预测，从而展示BHA在抑制电池TRP方面卓越的工业应用潜力。