清華新聞網(wǎng)6月14日電 規(guī)模儲(chǔ)能的迅猛發(fā)展對(duì)電堆的熱安全和長(zhǎng)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(nèi)兼顧電芯單體正常工作溫度窗口的導(dǎo)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?zé)岚踩芯康钠款i問(wèn)題之一。
近日，清華大學(xué)電機(jī)系楊穎研究團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)陸俊研究團(tuán)隊(duì)共同合作，設(shè)計(jì)并制備了以電池?zé)崾Э販囟葹橛|發(fā)變量的導(dǎo)熱切換至絕熱的熱響應(yīng)材料作為單體電池間隔層，在防止電池組熱擴(kuò)散導(dǎo)致熱失控蔓延、提升電池組運(yùn)行安全性方面取得了突破性的原始創(chuàng)新成果。
研究團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)在二維導(dǎo)熱骨架單體片層間嵌入特定溫度范圍的熱觸發(fā)膨脹微球作為熱開(kāi)關(guān)，利用膨脹微球的微觀(guān)應(yīng)力應(yīng)變，將導(dǎo)熱骨架推散。電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的瞬時(shí)熱沖擊功率進(jìn)一步原位陶瓷化隔層，形成類(lèi)氣凝膠結(jié)構(gòu)。
圖1.熱切換材料的切換原理與制備方法
多孔結(jié)構(gòu)保證了隔層材料迅速進(jìn)入到絕熱狀態(tài)，阻止熱蔓延的發(fā)生。該熱切換材料可在電池?zé)崾Э睾笤谙嗤瑫r(shí)間尺度迅速?gòu)?gt;1.0 W/(m·K)切換到<0.1 W/(m·K)，切換溫度窗口為90-100℃，滿(mǎn)足了電池?zé)峁芾砗蜔崾Э刈韪艄δ艿碾p重需求。研究成果有望為下一代一體化電池?zé)岚踩到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供理論支撐和設(shè)計(jì)依據(jù)。
圖2.熱切換材料在電池模組中的實(shí)際應(yīng)用（a）散熱測(cè)試中電芯隔層為熱切換材料、氣凝膠和沒(méi)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(xiàn)。（c）用于熱蔓延測(cè)試的電池模組組裝示意圖。（d）電芯隔層為熱切換材料時(shí)單體電芯的溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。（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(cè)試期間的熱通量仿真計(jì)算值。（f）熱切換材料在熱失控測(cè)試過(guò)程中充當(dāng)熱智能保護(hù)層，其形貌隨著距熱源的遠(yuǎn)近而變化。（g）熱切換材料經(jīng)熱沖擊前后的XRD圖譜。（h）熱失控測(cè)試后的熱切換材料的SEM圖像
6月5日，相關(guān)研究成果以“適用于電池安全管理的快速溫度響應(yīng)熱切換材料”（Rapid temperature-responsive thermal regulator for safety management of battery modules）為題，發(fā)表于《自然·能源》（Nature Energy）。
清華大學(xué)電機(jī)系2020級(jí)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(xué)電機(jī)系為論文第一單位，合作單位包括清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院、浙江大學(xué)和浙江三花智能控制股份有限公司。研究得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、浙江省自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-024-01535-5
供稿：電機(jī)系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
