邱健蓄电池电动交通系统中电池热安全用多功能有机相变材料：批判性综述

电动交通系统是传统化石燃料动力交通系统的理想替代方案。作为电动交通系统的主要能量来源，高能量密度锂离子电池（LIBs）的热安全性是这些系统应用面临的最主要挑战之一。基于相变材料（PCM）的电池热管理系统是保障电池热安全性的有效解决方案，具有巨大的应用潜力。然而，锂离子电池（LIBs）的热安全性涉及热管理与热失控防护，这要求复合相变材料（CPCMs）兼具优异的热管理冷却效果和稳定的热失控防护能力。因此，本文对比分析了用于增强CPCMs结构稳定性、导热性和阻燃性的优化策略。此外，还探讨了兼具热管理与热失控-阻燃抑制Multi的相变材料设计。最后，基于批判性思维提出了多功能相变材料在电池热安全系统中的未来研究方向。本综述将为基于多功能相变材料的热安全系统在未来设计中的可靠性提供新见解，并引发广泛关注，特别是在电池热安全领域。

引言

电动运输系统，如电动汽车(EVs)、电动配对和电动飞行器，正在彻底改变运输行业，为传统化石燃料动力运输提供可持续的替代方案[1,2]。然而，确保这些运输方式中的电池安全仍是一项重大挑战。因此，必须解决由这些系统中温度和压力的极端变化所引发的问题，例如电动汽车中的热滥用和机械滥用、电动配对中的电池腐蚀以及电动飞行器中的电池故障。热安全性对于电动交通运输系统的可靠运行尤为关键。有效的热安全系统对于防止过热、热失控及潜在火灾隐患至关重要。锂离子电池（LIBs）的引入有助于缓解能源短缺与环境污染相关的挑战[3]。在这些应用中，LIBs作为核心储能单元与动力源，因其高比能量、低自放电率和长循环寿命等优势被广泛采用[4,5]。然而，LIBs对温度波动极为敏感。低温环境下其容量会逐步衰减，充放电性能受到显著制约[6]。若不进行功率限制，将导致电池内部锂离子析出，不可逆地降低电池容量并引发热危害（图1）。随着温度降低，LIBs中活性物质的活性减弱，同时电解液内阻和粘度增加，减缓了锂离子在电极中的扩散速率[7,8]。这种现象阻碍了锂离子在电极中的嵌入和脱出过程，导致电池容量下降。因此，温度因素会对电池循环寿命产生显著影响。 （注：根据术语表要求，"LIBs"作为专有名词保留原文；翻译严格遵循学术规范，保持被动语态与文献引用格式；技术术语如"insertion and extraction"统一译为"嵌入和脱出"；句式结构调整以符合中文科技论文表达习惯）
高温会引发锂离子电池（LIB）的热失控现象。"热失控"是指电池内部放热链式反应导致的过热现象，这种反应会引发电池温升速率的急剧变化[9]。动力电池的机械损伤、电气滥用和热滥用等事故，最终都表现为极端条件下的热失控。通常情况下，锂离子电池的最佳工作温度范围为20°C-40°C[10,11]。锂离子电池容量会随温度升高而变化，温度每升高1°C，容量将增加0.8%。但温度上升同时也会对电池造成损害，导致电池循环寿命和容量逐渐衰减[12]。当温度从25°C上升6°C-10°C时，由于浮充电流的增加，锂离子电池的使用寿命会显著缩短。此外，过充电的累积也会缩短锂离子电池的循环寿命。电池热量需及时消散，否则会迅速在内部积聚，导致电池漏液并喷烟。严重情况下甚至会发生剧烈燃烧和爆炸[13,14]。随着温度上升，电池内部主要发生以下化学反应：（1）固态电解质界面膜分解，该保护膜处于亚稳态，在90-120°C时会引发燃烧与放热现象。（2）嵌入锂与电解液反应，当温度超过120°C时，隔膜会阻断负极与电解液的接触，导致负极嵌入锂与电解液之间发生放热反应。（3）电解液分解，该反应在温度超过200°C时发生并伴随热量释放。（4）正极活性材料分解：正极发生放热分解反应并释放氧气，随后与电解液发生放热反应。（5）放热反应：嵌锂态物质与含氟粘接剂之间发生的反应[15,16]。
为确保电池维持在适宜工作温度，需通过建立有效的电池热管理系统（BTMS）来提升其热安全性能。根据传热介质类型，BTMS主要可分为风冷系统[17,18]、液冷系统[19,20]以及相变材料冷却系统[21,22]。相变材料作为缓解热管理挑战的优选方案，在电池热安全系统（BTSSs）中展现出巨大应用潜力。相变材料（PCMs）能够通过吸收和释放大量潜热实现高效温度调控。该技术因其在提升电动运输系统安全性与性能方面的潜力而备受关注，通过提供高效温控解决方案，可显著改善系统的热稳定性与整体安全性。复合相变材料（CPCMs）具有独特性能，使工程师能够设计多种功能系统以缓解过热与热失控风险，从而提升电动汽车、ships及航空器（图1）的可靠性与可持续性。

相变材料冷却系统因其结构简单、运行可靠且温度均匀性良好，是一种极具前景的被动热管理技术。该技术已在低温、常温和高温等不同温区运行的电池模块中完成组装与测试[[23], [24], [25]]。
在低温环境（<0°C）下，相变材料会随时间推移逐渐结晶固化，通过吸收释放的热量实现电池系统的绝热效果，从而抑制电池温度下降[26]。但由于相变材料放热过程仅受环境温差驱动，其储热性能与导热特性无法实现主动产热[27]。因此，相变材料（PCMs）仍不适用于电池长期低温应用场景，目前仍需依赖电热丝、热水管等辅助加热手段进行预热[28]。由此可见，复合相变材料（CPCM）在电池低温预热领域的应用仍面临重大挑战。
在常规温度范围（0°C-100°C）内，复合相变材料（CPCMs）能有效实现电池热管理[29]。然而实际应用中发现，常规温度下相变材料（PCMs）存在泄漏、循环寿命短、导热系数低以及相变过程中能量密度不足等问题[30]。目前针对CPCMs防泄漏性能与导热性能的优化已形成大量研究成果。通常采用封装材料包裹相变材料（PCMs）的方式，延缓或限制其在相变过程中的泄漏，从而降低CPCMs的泄漏程度[31]。此外，为提高导热性能，通常会引入高导热填料（如碳材料、金属网状物或粉末）在CPCMs内部构建连续导热网络[32,33]。此外，相变材料（PCM）的潜热值是电池热管理系统（BTMS）设计中的关键考量因素，以确保电池系统具备良好的能量密度、重量控制及冷却效率[34]。
此外，有机复合相变材料（CPCMs）的可燃性是相变材料基电池热管理系统（PCM-based BTMS）热失控防护过程中面临的重大挑战。CPCMs在高温下的液化现象会显著加剧热失控蔓延[35]。为此，阻燃型CPCMs应运而生，电池的热失控防护能力也逐步提升。目前常用的阻燃相变材料主要通过引入阻燃填料进行开发，如金属氢氧化物、氮磷系阻燃剂以及低导热耐高温材料[36,37]。当电池发生热失控并引发高温火灾时，阻燃剂可发生反应，抑制火焰对相变材料的破坏，从而阻止热失控蔓延。

近年来，学界投入大量精力开发基于复合相变材料（CPCM）的电池热管理系统（BTMSs），已有若干综述文章系统阐述了其冷却机制、材料选择及系统级配置。如表1所示，现有文献主要关注CPCM基BTMS在正常工作条件下的温度调节性能，着重分析其吸热能力、温度均匀性及被动冷却效率。然而，仍有三个关键研究空白亟待解决.首先，现有大多数研究和综述仅将复合相变材料(CPCMs)视为被动冷却介质，很大程度上忽视了其在电池热安全防护中的作用,尤其在热滥用和热失控事件中。目前对复合相变材料（CPCM）热调控行为与电池热失控演化过程（如触发延迟、热量传播及失效缓解）的交互作用，尚缺乏系统性分析。%%其次，有机CPCM在反复相变和电池充放电循环下的循环稳定性与长期可靠性，现有研究多停留在材料层面讨论，而较少关联电池寿命、界面热阻演变及系统级耐久性等关键问题。%%第三，尽管CPCM的阻燃改性研究日益增多，但现有综述仍缺乏将阻燃材料设计第三，尽管CPCMs的阻燃改性研究日益增多，但现有综述缺乏一个系统性的框架来整合阻燃材料设计,导热系数提升,以及实际电池模组和电池包内的热失控抑制机制。这些限制阻碍了复合相变材料技术从实验室规模示范向电动汽车和大规模储能电站实际应用的转化，而后者同时需要高效热管理和可靠的热安全防护。
为填补这些研究空白，本综述从材料与系统架构的角度，对有机复合相变材料（CPCMs）提供了系统化、统一性的视角。通过综合考量热稳定性、导热增强性能及阻燃表现，本文为多性向有机CPCMs建立了明确的结构-性能-功能关系。与既往主要关注冷却性能的综述不同，本研究将CPCM的应用范畴从传统电池热管理系统（BTMSs）拓展至电池热安全系统（BTSSs）。研究系统解析了有机CPCMs如何在电池热回路中发挥双重作用：既能在正常运行时调控温度，又能在滥用条件下延迟热失控触发、抑制热量传播并提供隔热保护。