锂离子电池在使用过程中面临显著的安全挑战，特别是热失控（TR）及其传播（TRP）问题。本研究将具有成本效益的硅酸钠与玻璃纤维毡结合，制备了玻璃纤维增强SiO₂气凝胶复合材料。通过采用不同硅水比（1:1、1:2、1:4和1:4.5），获得了低导热系数（0.018–0.030 W·m−1) 以及优异的热稳定性，仅在300°C以上出现质量损失，且总体保持在5%以下。结果表明，1:1和1:2配比的阻隔材料能有效抑制热失控传播（TRP）。相比之下，1:4配比的气凝胶材料在100%荷电状态（SOC）下无法阻止传播，而1:4.5配比的材料除0% SOC外，在所有SOC水平均失效。电池1与电池2间热失控（TR）触发的时间间隔随SOC变化，在100%、75%和50% SOC下分别观测到265秒、323秒和512秒的延迟。电池2的质量损失随SOC增加而上升。传热分析表明，1:1配比的气凝胶可实现电池间最佳热隔离，而更高配比气凝胶的Block性能逐渐劣化。这为提升锂离子电池安全性提供了关键指导。−1) and excellent thermal stability, with mass loss occurring only above 300 °C and remaining below 5% overall. Results show that inhibition material with 1:1 and 1:2 ratios effectively suppress TRP. In contrast, the aerogel material with a 1:4 ratio fails to prevent propagation at 100% SOC, while the material with a 1:4.5 ratio is ineffective at all SOC levels except 0%. The time interval between TR initiation in Battery 1 and Battery 2 varies with SOC, and delays of 265 s, 323 s, and 512 s have been observed at 100%, 75%, and 50% SOC, respectively. Mass loss in Battery 2 increases with SOC. Heat transfer analysis reveals that aerogels with a 1:1 ratio achieve optimal thermal separation between batteries, while higher-ratio aerogels exhibit progressively degraded blocking performance. These offer essential guidance for enhancing safety in Li-ion batteries.
图文摘要
引言
全球范围内频发的极端气候事件已对生产生活造成重大损失[1][2]。经济快速发展与社会进步推动了对化石燃料的需求持续增长，进而加剧了全球环境污染与极端气候变化[3][4]。锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度和优异的循环性能[5][6]，已成为能源转型的关键技术[7]，在消费电子、电动汽车及可再生能源存储领域发挥着不可替代的作用[8][9]。随着全球碳中和目标的推进，锂离子电池（LIBs）在储能系统中的角色预计将进一步扩大[10][11]。电动汽车的发展已成为降低二氧化碳排放、缓解全球变暖的关键路径。过去十年间，随着高性能电动汽车的进步，锂离子电池的能量密度急剧提升[12][13]。然而，热失控（TR）引发的火灾已成为大规模部署锂离子电池的主要障碍[14][15]。这一被称为"热失控"（TR）的问题必须被攻克，以解决高能量锂离子电池应用的最后障碍[7][16]。 国内外大量研究聚焦于锂离子电池的热失控传播（TRP）现象，由此衍生出众多实验方法与模型。测试TRP最常用的方法是诱发单个或多个电池单体发生热失控，并观察其在电池模组中的传播规律[17]。Wang等[18]从多个维度首次探究了热失控（TR）的演化过程及内在机制，通过单电极到整个电池组层面，系统性地分析阐述了TR事件在时间递进与空间尺度上的发展规律。黄等[19]揭示了单体电池内部热诱导对热失控传播（TRP）的影响机制。李等[20]研究了加热板与电池间的传热特性，证实低加热功率下热传导是主要传热途径，而非对流或辐射。黄等[21]以三层矩形锂离子电池堆为研究对象，探究了加热功率（50W至300W）与荷电状态（SOC）（30%至75%）对TR触发及传播的影响规律。黄等[22]分析了磷酸铁锂（LiFePO4（LFP）与三元（NCM）电池模块的对比研究表明，NCM材料具有更高的热危险性，且更易发生热失控传播（TRP）。 现有电池安全策略主要分为本质抑制技术与被动抑制方法两类。内部技术手段已被应用于提升电池安全性，包括对正极、负极、隔膜、电解液等电池组件进行持续改性与优化，以提高热失控（TR）发生的下限阈值[23][24]。然而这些方法不仅应用成本高昂、收效欠佳，还会对电池性能产生负面影响[25][26]。电池被动抑制技术的核心在于通过热阻、吸热或其他防护措施，在热失控（TR）发生后减轻失控单体对相邻电池的影响。例如，Wilke等[27]研究发现，在电芯间添加低导热系数的绝缘层能有效阻隔热量传递。气凝胶因其低密度和卓越的隔热性能被学界认可，已作为阻隔材料应用于电池模组的热失控传播（TRP）抑制研究[28]。冯与郑等[29]、[30]研究了不同厚度的纳米纤维气凝胶在防止电池模块热失控传播（TRP）方面的效果，发现较厚的气凝胶层具有更优异的阻隔性能。Ki等[31]通过将介孔二氧化硅与层状SnSe及锌离子凝胶复合，成功开发出一种新型复合隔膜，并论证了其作为锂离子电池热抑制剂的潜力。Xiao等[32]提出采用原位超临界分离法制备前驱体气凝胶片材，可有效延缓或阻断热失控传播。但现有研究多集中于气凝胶的最终阻燃效果，对热屏障在热失控过程中关键物理参数的动态演变规律缺乏系统探究，这制约了材料优化设计的机理认知。因此，开发兼具成本优势与高性能的气凝胶隔热材料仍具重要研究价值。 本研究将气凝胶与玻璃纤维结合，制备了具有不同硅水比（silica-to-water ratio）的复合材料，用于抑制锂离子电池模块的热失控（TR）。与以往主要关注宏观结果的研究不同，本研究通过分析温度、电压变化、质量损失、传热及反应动力学等多性向（Multi）物理参数，揭示了热失控传播（TRP）过程的底层机制。通过系统研究气凝胶复合材料的硅水比与锂离子电池荷电状态（state of charge）对TRP的影响，该工作从动作（Action）机制层面阐明了复合材料的热防护性能。研究结果表明，硅水比为1:1和1:2的抑制材料具备优异的绝热性能，可有效阻止热失控（TR）向相邻电池单元蔓延。这些发现为观测到的性能现象提供了机理层面的解释，同时为抑制电池模组中的热失控传播提供了重要见解，对大规模储能设施的安全防护设计具有重要参考价值。
