清華新聞網(wǎng)6月14日電 規(guī)模儲(chǔ)能的迅猛發(fā)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(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)膨脹微球作為熱開關(guān)，利用膨脹微球的微觀應(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?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(shí)單體電芯的溫度隨時(shí)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(jì)算值。（f）熱切換材料在熱失控測試過程中充當(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
