基于這一材料，通過(guò)相變材料填充制備了熱響應(yīng)、超強(qiáng)、超薄（1 mm）的柔性電池抑火盾復(fù)合材料，用于防止電池組中的電池間熱失控傳播。儲(chǔ)存在納米纖維氈中的相變材料在正常條件下具有可靠的導(dǎo)熱性，在高溫下具有較高的熱靈敏度。熱失控產(chǎn)生的高溫會(huì)引起相變材料的汽化，伴隨吸收大量的熱量，并釋放大量的滅火劑。相變材料釋放后剩余的二氧化硅納米纖維墊，具有超低的熱導(dǎo)率（0.026 W m?1 K?1），可以繼續(xù)阻止熱量從一個(gè)起始單元傳遞到相鄰單元，防止系統(tǒng)級(jí)的熱失控。因此，帶有這種智能抑火盾的電池組在正常工作溫度下顯能夠正常熱管理，并且在異常條件下具有很高的阻斷熱失控的能力。此外，它具有可批量化生產(chǎn)、加工性能好、觸發(fā)溫度可調(diào)等特點(diǎn)，可用于制造一系列先進(jìn)、安全、耐用的抑火盾。其應(yīng)用領(lǐng)域甚至可以擴(kuò)充到油罐應(yīng)急材料、空間探測(cè)和消防設(shè)備等。該成果以“Thermal-Responsive, Super-Strong, Ultrathin Firewalls for Quenching Thermal Runaway in High-Energy Battery Modules”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials上。

圖1. 智能抑火盾的制造。a）潛在的電池?zé)崾Э兀═R）場(chǎng)景，包括電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電網(wǎng)儲(chǔ)能站和飛機(jī)電源規(guī)。2）?；苽涞亩趸杓{米纖維氈可以用作可靠的電池抑火盾。c-d）利用高速攝影機(jī)觀(guān)察氣動(dòng)射流現(xiàn)象并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬。e）不同倍率下二氧化硅納米纖維氈的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。f）透射電子顯微鏡圖像和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射（SAED）圖顯示了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。g）硅和氧在納米纖維上的元素分布圖。h）二氧化硅納米纖維氈的大規(guī)模樣品。h）二氧化硅納米纖維氈可以承受一個(gè)體重85公斤的人的踩壓而不會(huì)粉化

圖2. 二氧化硅納米纖維墊的機(jī)械性能。a）SEM圖像顯示了單根纖維的曲率半徑和相應(yīng)的von mises應(yīng)力分布。b） 在相同曲率半徑為1.75 μm時(shí)，最大von Mises應(yīng)力與最大應(yīng)變之間的關(guān)系，表明單根纖維的柔韌性隨直徑的增大而減小。c–e）增加應(yīng)變幅度的壓縮-恢復(fù)循環(huán)期間的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，壓縮應(yīng)變?yōu)?0%的1000循環(huán)壓縮疲勞試驗(yàn)，以及最大應(yīng)力和能量損失系數(shù)隨壓縮循環(huán)的變化。f–h）增加應(yīng)變幅度的屈曲-恢復(fù)循環(huán)期間的屈曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、屈曲應(yīng)變?yōu)?0%的1000次循環(huán)屈曲疲勞試驗(yàn)，顯示二氧化硅納米纖維墊具有優(yōu)異柔韌性。i）二氧化硅納米纖維氈的折疊、卷曲、卷曲和纏繞。J）丁烷噴燈火焰和液氮浸泡下二氧化硅納米纖維氈的屈曲和恢復(fù)過(guò)程。

圖3. 二氧化硅納米纖維墊的隔熱性能。a） 使用500℃熱臺(tái)加熱納米纖維氈，以及五個(gè)參考點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)溫度變化。b）所制備的納米纖維氈導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和纖維直徑的變化趨勢(shì)。c） 雷達(dá)圖顯示了各種最新的絕緣材料、商用二氧化硅纖維毯和二氧化硅納米纖維墊的性能比較。d） 四個(gè)電池組裝的模組示意圖。e）使用純納米纖維氈得到的熱失控傳播試驗(yàn)結(jié)果。f）COMSOL模擬結(jié)果。g） 熱失控傳播試驗(yàn)期間的紅外圖像。h）COMSOL模擬得到的紅外圖像結(jié)果。

圖4. 使用1mm厚的智能抑火盾阻斷電池模組中的熱失控傳播。a） 不同相變材料吸附后的復(fù)合照片。b?c） 差示掃描量熱法（DSC）的結(jié)果和不同智能抑火盾的焓變化。d?e）熱失控傳播試驗(yàn)中溫度變化、電壓變化和對(duì)應(yīng)的紅外圖像。f）熱失控傳播實(shí)驗(yàn)前后鋰離子電池模組的比較。g）熱失控測(cè)試后的智能抑火盾SEM圖像，顯示在二氧化硅納米纖維上形成了豐富的二氧化硅氣凝膠納米顆粒。 【總結(jié)】為了實(shí)現(xiàn)電池間高效的熱失控阻斷，超低熱導(dǎo)率材料是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但超低熱導(dǎo)率材料的選取必須滿(mǎn)足耐溫高（＞700℃，特別地，對(duì)于NCM811電池耐溫必須超過(guò)1000℃）的前提條件。近年來(lái)，為了解決里程焦慮問(wèn)題，單體電池能量密度越來(lái)越高，熱失控釋放的熱量也越來(lái)越高。為了實(shí)現(xiàn)熱失控蔓延的延遲或者阻斷，所需純隔熱材料也越來(lái)越厚，因而這種附加的材料反過(guò)來(lái)削弱了電池的續(xù)航里程。此外，隨著電池之間的熱傳導(dǎo)被嚴(yán)格阻斷，常規(guī)運(yùn)行下的熱管理又成了新的挑戰(zhàn)。這些看似矛盾的問(wèn)題被巧妙的通過(guò)相變填充化解。 首先，本文大規(guī)模制造了一種全無(wú)機(jī)柔性氈來(lái)實(shí)現(xiàn)耐高溫和低熱導(dǎo)。這里選擇氧化硅的原因是納米纖維氈具有良好的柔性和1200℃以上的高耐溫等級(jí)。納米纖維構(gòu)織的多孔纖維網(wǎng)絡(luò)不僅保障了低的體積密度，而且與粗纖維相比能夠有效阻滯熱對(duì)流。 其次，利用相變吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)熱觸發(fā)的吸熱、滅火和隔熱功能一體化?；诩{米纖維氈的多孔特性，我們吸附大量的相變材料。氧化硅纖維氈可以吸附37倍于其自身重量的硅溶膠，形成穩(wěn)定的凝膠狀絡(luò)合物，以及分別穩(wěn)定吸附49倍飽和氯化鈣溶液，20.8倍的磷酸四乙酯和29.9倍的磷酸四苯酯。 最終，在鋰離子電池的熱失控期間，熱觸發(fā)的相變填充材料被釋放，有效地降低了溫度，抑制了電池組件的燃燒。純二氧化硅納米纖維氈具有超低熱導(dǎo)率，為其他電池提供持續(xù)的熱保護(hù)。 總之，熱失控快速傳播是大型鋰離子電池模組中安全問(wèn)題擴(kuò)大化和失控化面臨的主要問(wèn)題。然而，不引入負(fù)面效應(yīng)的熱失控阻斷技術(shù)仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。本文提出了超薄智能抑火盾概念。實(shí)驗(yàn)證明，抑火盾具有熱觸發(fā)的可切換熱物理特性，因?yàn)槿嵝远趸杓{米纖維氈與相變材料的協(xié)同效應(yīng)。在熱失控條件下，智能抑火盾同時(shí)產(chǎn)生冷卻、滅火、隔熱等多種功能。因此，1 mm厚的智能抑火盾成功地抑制了瞬態(tài)熱沖擊高達(dá)53 kW的滿(mǎn)電態(tài)50 Ah鋰離子電池之間的熱失控傳播，在相鄰電池間制造了最高可達(dá)512℃的溫度差。 Lei Li, Chengshan Xu, Runze Chang, Chong Yang, Chao Jia, Li Wang, Jianan Song, Ziwei Li, Fangshu Zhang, Ben Fang, Xiaoding Wei, Huaibin Wang, Qiong Wu, Zhaofeng Chen, Xiangming He, Xuning Feng, Hui Wu, Minggao Ouyang, Thermal-Responsive, Super-Strong, Ultrathin Firewalls for Quenching Thermal Runaway in High-Energy Battery Modules, Energy Storage Materials (2021), https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.018