面向大容量电池的各种隔热材料热失控传播抑制效果评估：性能评价与机理研究
2026-03-31 17:27:27
本研究系统考察了聚酰亚胺泡沫(PIF)、气凝胶毡(AF)、陶瓷纤维毡(CFF)和云母板(MP)等不同隔热材料在抑制锂离子电池热失控传播(TRP)方面的有效性。通过温度监测、扩展包力测量、质量损失评估、燃料费释放分析、微观结构表征及传热评估等综合分析，阐明了阻隔材料在延迟或阻止热失控传播中的关键作用。研究结果表明，材料类型、厚度与机械稳定性是抑制热失控传播（TRP）的决定性因素。增加厚度可显著提升性能，其中2毫米厚的相变阻燃材料（PIF）表现最佳——能完全阻止相邻电池间的热失控（TR）传导，并大幅降低质量损失。传热分析表明，兼具均衡导热性与压缩稳定性的PIF性能优于其他材料，而高导热性的金属相变材料（MP）表现最差。微观分析证实，幸存电池2中阴极的形貌与化学成分仅发生轻微变化，进一步验证了PIF卓越的TRP抑制效果。本研究建立了TRP抑制性能排序：PIF > 气凝胶毡（AF） > 碳纤维毡（CFF） > MP，为电池热安全设计提供了关键依据。
图形摘要
本研究采用四种不同阻隔材料（PIF、AF、CFF、MP）作为大容量LFP电池热失控传播（TRP）的抑制屏障。PIF材料展现出最佳隔热性能，其次为AF、CFF和MP材料。PIF材料能将T峰值温度降至最低并成功阻止电池2发生热失控（TR）。2max
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引言
作为人类文明发展的基石，能源的可持续利用对社会进步与生态平衡具有决定性作用[1]。传统化石燃料的过度开发不仅加速了资源枯竭，更扳机了全球气候变化危机[2]。为应对这一挑战，发展新型清洁能源体系已成为国际共识。在此背景下，科研界致力于开发多元化的能量存储与转换技术，包括：高能量密度锂离子电池（LIBs）系统、高效电催化电池体系、环境友好型燃料电池装置、生物相容性微生物电池、大容量金属-空气电池，以及快速充放电超级电容器等创新储能解决方案[3][4][5]。这些技术突破将为实现能源结构转型提供关键支撑。作为一种新型清洁能源存储技术的代表，锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度与大容量特性，被广泛应用于电动汽车和储能系统。然而在过充、高温或机械碰撞等极端条件下，电池内部的电解液、电极材料与隔膜等组分会发生连锁放热反应，最终导致热失控（TR）现象[6]，[7]，[8]。更为严重的是，热失控会在电池模组内快速传播，扳机大规模燃烧甚至爆炸事故，对人身和财产安全构成严重威胁。当前如何在提升电池能量密度的同时确保其安全性，已成为动力电池领域亟待突破的关键技术瓶颈[9]，[10]，[11]。
在热失控（TR）过程中，电池会释放大量热量，这些热量会逐渐影响相邻电池并蔓延至整个电池包，最终导致严重的火灾甚至爆炸[12][13][14]。为探究电池的热失控传播（TRP）机制，研究人员开展了相关实验研究。Feng等[15]通过穿刺滥用实验，研究了由6个25Ah方形三元电池组成的模组中TRP动作的传播规律。研究发现，通过电池接触面传递的热量是诱发相邻电池发生热失控的主要因素。 （注：根据术语表要求，原文中的"action"译为"动作"；专业缩写TR（热失控）、TRP（热失控传播）及三元电池（ternary batteries）等术语均按学术规范保留；文献引用格式与原文方括号标注保持一致；被动语态转换为中文主动表述；长句按中文习惯拆分，保持学术文本的严谨性与流畅性。）传递的热量约占总释放热量的12%。Li等人[16]探究了荷电状态(SOC)对电池模组热失控传播(TRP)的影响。随着SOC降低，电池模组TRP时间延长。该现象主要归因于低SOC状态下电池模组需要更多热量传递才能触发TRP。Peng等人[17]研究了电池模组内的TRP路径，发现热传导主要通过电池间热传导与火焰喷射实现。相邻电池间距是影响TRP速度的关键因素[18]。He等人[19]开发了首个耦合电化学-热行为的电池TRP模型，揭示了由内部短路引发的链式反应机制。预测结果与实验数据误差小于10%。当电池SOC高于80%时，触发TR的温度显著降低。
采用阻隔材料可有效抑制电池的热失控传播（TRP）。Feng等[20]将石蜡/石墨烯复合材料应用于电池模组，该材料能吸收40%的热释放能量并显著延迟TRP发生时间。Li等[21]开发的三功能复合热屏障使153 Ah大尺寸方形电池的TRP得到缓解。Bausch等[22]设计了一种环保型吸热阻隔材料，用于预防50 Ah电池模组的TRP现象。Guo等[23]制备了阻燃热塑性聚氨酯复合材料作为单体电池TRP屏障。Chen等[24]的研究表明...量化了机械挤压、荷电状态（SOC）不均匀性及冷却失效对热失控传播（TRP）的协同影响。研究发现，30%的SOC差异会使模组TRP风险增加70%，而液冷系统失效将导致最高温度上升200%。Larsson等人[25]通过数值模拟方法，开发了一种耦合微通道液冷与气凝胶隔热的复合模组。通过构建多维热阻网络，将热失控（TR）影响域限制在少数电池范围内。液冷与隔热材料的组合在防止TRP方面表现出卓越效能。Yang等人[26]探究了气凝胶、液冷系统及其组合对三元电池模块TRP的抑制性能。Yu等人[27]开发了一种新型三相复合隔热材料，该材料结合了纳米纤维气凝胶、颗粒气凝胶和固体微球，实现了1.45 MPa的抗压强度和0.0241 W/(m·K)的导热系数，能有效抑制TRP。然而针对大容量锂离子电池（＞300 Ah）的TRP及其抑制机制研究仍较为匮乏。
本研究采用四种材料——聚酰亚胺泡沫（PIF）、气凝胶毡（AF）、陶瓷纤维毡（CFF）和云母板（MP）——对314 Ah磷酸铁锂（LiFePO₄）电池的热失控传播（TRP）进行区块阻隔。4（LFP）电池。随着隔热材料厚度的增加，阻隔效应显著提升。当厚度固定为1毫米时，电池的热失控传播时间延长，并可观察到TRP现象。当厚度增至2毫米时，采用PIF材料的电池2既未触发泄压阀也未发生热失控（TR），其表面峰值温度降至254.2℃。此外，AF与CFF虽未能完全阻止安全阀开启，但成功抑制了热失控过程。两种材料的峰值温度分别为264℃与307℃。电池2分别可辨识出7°C的温升。阻隔材料的热导率和抗压缩变形性能对热失控传播抑制至关重要。当采用2毫米PIF时，峰值传热功率降至97瓦，有效避免了电池间的热量积聚。研究还详细考察了幸存电池2中正极、负极、隔膜的形貌变化。通过系统实验，本研究定量分析了不同阻隔材料条件下热失控电池的热量传递情况，并揭示了其抑制效应。该工作可为新一代高能量密度电池系统的安全设计提供启示。
