SSB蓄电池真空硅气凝胶与陶瓷纤维对大容量磷酸铁锂电池热失控传播抑制性能及机理的多参数研究4电池
2026-03-19 21:00:24
摘要
本研究通过实验探究了真空二氧化硅气凝胶（VSA）与陶瓷纤维（CF）作为热障材料抑制大容量磷酸铁锂（LFP）电池模块热失控蔓延的有效性。其重要意义在于应对高能电池系统中级联失效这一关键安全挑战。通过系统性多参数实验——监测温度、扩展包力、电压及其变化率——对比分析了两种材料在1mm与2mm厚度下的性能表现及其作用机制。实验结果表明，在同等厚度条件下，真空绝热材料（VSA）的隔热性能显著优于碳纤维（CF），这归因于其独特的真空纳米多孔结构能有效抑制传导和对流热传递。此外，将VSA厚度从1毫米增加至2毫米可显著提升其阻隔效能，延缓热失控扩展，降低相邻电芯的峰值温度与机械应力，同时改善电化学稳定性。对阻隔热流的定量分析进一步证实了材料厚度与隔热性能之间的正相关性。本研究为储能系统和电动汽车领域设计更安全的大尺寸电池模组时，隔热材料的选择与优化提供了直接的实验依据和实践指导。
引言
锂离子电池因其卓越的稳定性、低自放电率、高能量密度和长循环寿命而获得广泛赞誉。它们已被广泛应用于电动汽车和储能设施[1]，作为前沿的清洁能源存储解决方案。然而，尽管锂离子电池为社会带来了便利和清洁能源优势，它们也潜藏着重大的火灾隐患。在机械应力[2]、电气故障和热应力[3]等条件下，电池安全问题（包括冒烟、自燃和爆炸）仍时有发生。这些问题通常被归类为热失控问题[4][5][6][7]。一旦单个电池发生热失控，可能引发连锁反应，热量会在电池模组内迅速蔓延至邻近电池，从而急剧加剧热失控现象[8][9]。这种能量的突然释放可能导致灾难性火灾或爆炸，对电动汽车和规模化储能设施构成重大风险。防止锂离子电池之间热失控的连锁反应，以缓解电池模块内部的热风险，是减轻锂离子电池系统固有安全问题的关键技术路径。提升电池内部组件的安全特性是该技术路径的核心环节之一。这可通过改性正负极材料、开发耐高温隔膜、配制更安全的电解液或探索固态电解质等途径实现。这些技术进步能够抑制引发热失控的主要化学反应，并通过电池内部结构优化来阻碍热量传递[10]。在改进锂离子电池材料时，必须兼顾其电化学性能提升与安全性保障之间的平衡。尽管这些方面的实验室研究已取得显著进展，但在实现工业规模广泛应用之前仍存在一定差距。为有效缓解TRP现象，研究人员系统考察了各类隔热材料的抑制效果。一方面，采用数值模拟分析方法研究了隔热材料的影响[9][11][12]。例如，Yuan等人[13]比较了18650电池模块中铝制区块、石墨片与铝板的热失控传播抑制性能。Coman等人[14]研究了云母套筒封装圆柱电池的效果，该设计同时具备隔热与绝缘特性。研究表明，云母与铝制散热器的组合能有效降低相邻电池间的热传递。Rui等[15]通过数值模拟实验探究了热障层、液冷板及其协同效应对阻断热失控传播的作用机制与有效性。研究结果表明，隔热材料能够通过冷却板延长热消散的关键时间窗口。然而，引入此类额外组件会增加电池系统的整体重量，这对实现高能量密度仍构成挑战。此外，TRP数值模拟为提升锂离子电池安全性提供了重要见解。Feng等[16]提出的TRP模型发现，在相邻电池间添加厚度至少1毫米、导热系数低于0.2 W/(m·K)的耐热夹层，是预防TRP的四大关键量化解决方案之一。目前广泛应用的隔热材料包括阻燃泡沫、气凝胶、CF及云母等。2 W/(m·K)的耐热夹层被证实是预防热失控传播（TRP）的四大关键量化解决方案之一。当前广泛采用的隔热材料涵盖阻燃泡沫、气凝胶、碳纤维（CF）及云母等多种类型。
在众多绝缘材料中，气凝胶凭借其独特的多孔纳米结构[17]，展现出极低的固体热传导与燃料费热对流效应。与此同时，CF（碳纤维）由于其错综复杂的纤维交织结构[18]，能有效阻碍热量的线性传递。两种材料均具有显著的低导热特性。这些优异的热物理特性使得气凝胶与CF在应对电池热失控这一复杂严峻的工程挑战时，能够高效阻断热量的快速扩散与传播。因此，它们可大幅降低热失控在电池模组或系统内蔓延的风险，从而成为抑制电池热失控传播极具前景与价值的两类候选材料[19][20]。
相较于既有研究，本工作的核心差异与创新点可归纳如下：首先，尽管现有文献已证实气凝胶与陶瓷纤维的隔热潜力，但多数聚焦于小型圆柱电池（如18650型）或基于模拟的分析，缺乏对大容量高能量磷酸铁锂方形电池热失控传播（TRP）实际抑制效果的系统性实验验证。4动力电池模组。其次，已有研究主要依赖温度作为单一监测参数。相比之下，本研究同时追踪了包括温度、扩展包力、电压及其变化率在内的耦合信号，从而首次从涵盖热学、机械和电学行为的Multi视角揭示了VSA和CF在抑制TRP过程中的动态响应机制与性能差异。此外，在比较两种材料抑制效果的基础上，本研究进一步量化了绝缘层厚度与阻热效率之间的关系，为工程应用中优化材料厚度提供了直接实验依据。因此，本工作的贡献在于：针对大尺寸方形LiFePO4电池开展了系统性、Multi参数与Multi厚度的实验研究4电池模组作为工程实践中广泛应用的储能单元。本研究填补了绝缘材料在真实复杂工况下性能验证与机理分析的空白，为电池模组热安全设计中的材料选型与结构优化提供了创新数据支撑与理论依据。
