電池安全管理用熱切換材料研究獲新進展

清華新聞網6月14日電 規模儲能的迅猛發展對電堆的熱安全和長壽命提出了更高的要求。如何在電芯單體之間的有限空間內兼顧電芯單體正常工作溫度窗口的導熱均溫需求與熱失控溫度窗口的高溫絕熱需求，是目前電池熱安全研究的瓶頸問題之一。

近日，清華大學電機系楊穎研究團隊與浙江大學陸俊研究團隊共同合作，設計并制備了以電池熱失控溫度為觸發變量的導熱切換至絕熱的熱響應材料作為單體電池間隔層，在防止電池組熱擴散導致熱失控蔓延、提升電池組運行安全性方面取得了突破性的原始創新成果。

研究團隊提出通過在二維導熱骨架單體片層間嵌入特定溫度范圍的熱觸發膨脹微球作為熱開關，利用膨脹微球的微觀應力應變，將導熱骨架推散。電池熱失控產生的瞬時熱沖擊功率進一步原位陶瓷化隔層，形成類氣凝膠結構。

圖1.熱切換材料的切換原理與制備方法

多孔結構保證了隔層材料迅速進入到絕熱狀態，阻止熱蔓延的發生。該熱切換材料可在電池熱失控后在相同時間尺度迅速從>1.0 W/(m·K)切換到<0.1 W/(m·K)，切換溫度窗口為90-100℃，滿足了電池熱管理和熱失控阻隔功能的雙重需求。研究成果有望為下一代一體化電池熱安全系統的開發與應用提供理論支撐和設計依據。

圖2.熱切換材料在電池模組中的實際應用（a）散熱測試中電芯隔層為熱切換材料、氣凝膠和沒有隔層的電池模組的紅外圖像。（b）三種情況下電池模組ΔTmax變化曲線。（c）用于熱蔓延測試的電池模組組裝示意圖。（d）電芯隔層為熱切換材料時單體電芯的溫度隨時間變化曲線。（e）隔層材料為熱切換材料或氣凝膠的電池模組在熱蔓延測試期間的熱通量仿真計算值。（f）熱切換材料在熱失控測試過程中充當熱智能保護層，其形貌隨著距熱源的遠近而變化。（g）熱切換材料經熱沖擊前后的XRD圖譜。（h）熱失控測試后的熱切換材料的SEM圖像

6月5日，相關研究成果以“適用于電池安全管理的快速溫度響應熱切換材料”（Rapid temperature-responsive thermal regulator for safety management of battery modules）為題，發表于《自然·能源》（Nature Energy）。

清華大學電機系2020級博士生王菁為論文第一作者。陸俊、楊穎為論文共同通訊作者。清華大學電機系為論文第一單位，合作單位包括清華大學車輛與運載學院、浙江大學和浙江三花智能控制股份有限公司。研究得到科技部、國家自然科學基金委、浙江省自然科學基金委、北京市自然科學基金委等的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41560-024-01535-5