提升锂离子Trojan蓄电池组安全性：采用高储能无机水合盐/膨胀石墨复合材料抑制热失控

锂离子电池（LIBs）因其体积紧凑、重量轻、能量密度高且循环寿命长而获得广泛使用[1,2]。但是当LIBs遭受机械乱用、电化学乱用或热乱用等极点条件时，电池内部会产生热失控现象。该过程触及SEI膜分化、负极-电解液反响、电解液分化、隔膜熔融、正极资料分化等一系列杂乱的链式化学反响[3]。这些放热反响会开释过量热量，导致有毒烟雾、焚烧乃至爆炸[4,5]。为确保安全运行，热管理与热失控按捺技术在提升锂离子电池安全性方面受到广泛重视。有用的电池热管理系统需具有以下功能：将电池工作温度维持在50°C以下，保持电池间温差小于5°C[4,6]，并防止热失控延伸[7]。
为防止电池热失控（TR）延伸，目前首要采用两大战略：一是使用气凝胶等低导热资料隔绝电池间热传递，二是经过相变资料（PCMs）吸收电池热量。Xiao等[8]研制了一种用于锂离子电池（LIBs）热失控防护的气凝胶片，试验标明2毫米厚的气凝胶片可有用阻挠锂离子电池间的热失控传达，使相邻电芯间产生最高达767℃的温差。Liu等[9]则比照了不同热障层对按捺电池热失控的作用。研讨发现，玻璃纤维气凝胶、陶瓷纤维气凝胶、预氧化丝气凝胶及二氧化硅气凝胶均能经过将相邻电芯温度降至130°C以下而有用按捺热失控（TR）传达。Tang等[10]采用导热系数低至0.02 W/(m·K)的气凝胶资料用于电池热失控按捺。其试验结果标明：单层2.3 mm厚气凝胶片无法阻挠热失控传达，至少需叠加三层气凝胶片才干完成有用隔绝。这些研讨标明，气凝胶作为优异的绝热资料，凭仗其低导热特功能够最大限度地削减热失控单体向相邻区域的热量传递，然后降低电池热失控分散危险。但是，Yang等[11]提出了一种集成气凝胶的液冷板系统用于防止电池模组内的热失控传达。结果标明，气凝胶与液冷板协同作用可按捺热失控分散，但独自使用时均无法完成该作用。这标明尽管气凝胶能够阻断热量传递，但归根结底，封闭电池包内部的热量并未被消除。因而，锂离子电池包仍存在明显的热失控传达危险。或许需求采取液冷或相变资料等辅助措施，帮助气凝胶完成电池包的热量耗散，然后彻底消除热失控传达隐患。
相变资料(PCMs)在相变过程中能够吸收或开释很多热量，有助于锂离子电池(LIBs)的散热[12,13]。很多研讨探讨了基于白腊的相变资料在电池冷却中的使用。Wilke等[14]研讨标明：采用相变资料的电池组未产生热失控(TR)传达，而未采用相变资料的电池组则彻底产生了热失控传达。这证明白腊基相变资料对电池组具有杰出维护作用。但是现有研讨也指出，白腊复合资料或许会加快这些电池的热失控速率。Wang等[15]报导指出，白腊/石墨模块因相邻电池间的高效热传递而加快了热失控（TR）延伸。值得注意的是，白腊具有可燃性[14,16]。当热失控产生时，焚烧的白腊会开释热量和一氧化碳，然后加剧热失控态势。Wang等[17]研讨标明，白腊焚烧开释的一氧化碳或许形成重大安全隐患。Weng等[18]指出，白腊被点燃后会促进热失控传达。针对这一可燃性问题，研讨者们已尝试将阻燃剂引进白腊基相变资料（PCMs）中[19,20]。但是，这些尽力并未彻底消除与可燃性相关的问题，且或许因热能存储密度降低而影响冷却功能[21]。与有机相变资料不同，本征不可燃的无机水合盐具有更高的能量存储密度和更有用的电池冷却作用。Ling等[22]研讨了一种采用多尺度封装技术的不可燃水合盐，发现该无机相变资料较有机相变资料表现出更优的冷却功能。类似地，Galazutdinova等[23]制备了一种胀大石墨/六水氯化镁-六水硝酸镁（MCH-MNH/EG）复合相变资料（CPCM）。该MCH-MNH/EG CPCM在充放电循环中有用降低了电池温度，并成功阻断了TR（热失控）传达。但是，MCH-MNH/EG的相变温度（55-60°C）关于电池冷却使用或许偏高。Ping等[21]开发了一种以十二水磷酸氢二钠为芯材、二氧化硅为壳层的微胶囊相变资料（EIPCM），其熔点为51°C，相变焓达111.69 kJ/kg。EIPCM在3C放电和热失控（TR）过程中明显降低了电池的峰值温度。为进一步提升导热功能，Dai等[24]将碳纳米管（CNT）掺入EIPCM中。EIPCM/CNT复合资料将三组电池的热失控扳机时间分别延迟了129秒、474秒和551秒。此外，Lin等[25]和Cao等[26]研讨者提出使用水合盐的高热化学储能密度来有用按捺热失控延伸，他们开发了一种基于SAT（三水合乙酸钠）的复合相变资料（CPCM），其熔点为50℃。该资料在3°C时开端熔化，并在90-140°C的温度范围内产生分化，提供748.3 kJ/kg的明显热化学储能才能。该办法可有用按捺热失控传达。整体而言，无机相变资料在电池正常工作和热失控工况下均展现出杰出的冷却作用。但是，现有热失控研讨中提及的无机相变资料往往存在熔点高于电池最佳工作温度的问题。此外，其储热密度或许不足以消散热失控期间产生的过量热量[27]。因而，有必要寻觅一种具有适宜相变温度且储热才能更强的水合盐资料。
使用气凝胶与相变资料按捺电池热失控传达的作用机理存在明显差异。气凝胶经过降低热失控单体电池向其他电池的热传递完成隔绝，但热量仍积聚于电池组内部，存在点燃相邻电池产生热失控的危险。%% 相比之下，无机水合盐作为相变资料经过热化学反响吸收热失控单体开释的剧烈热量，然后彻底消除电池组热失控危险。理论上，采用高储热容量资料维护的电池组热失控传达危险更低。此外，水合盐成本仅为气凝胶的一半左右，具有明显的商业化使用远景。但需注意的是，目前没有有研讨直接比照无机相变资料与商业化气凝胶隔绝方案的实际防护作用。