高倍率充放电条件下锂离子电池热失控特性及气凝胶复合材料阻隔抑制机制研究
2026-05-27 21:14:08 点击： 次
锂离子电池（LIBs）在电网支撑和可再生能源并网领域应用广泛。然而高倍率充放电条件下的热失控（TR）问题日益凸显，对电池系统的安全性与可靠性构成严重威胁。本研究阐明了气凝胶阻隔层在不同充放电倍率电池中抑制热失控传播（TRP）的作用机制。结果表明2 在当前实验条件下，1毫米气凝胶毡被确定为抑制三元镍钴锰（NCM）2安时电池系统热失控传播（TRP）的临界厚度。作为有效的热屏障，其能将相邻电芯最高温度限制在146.5℃以下，从而实现热失控（TR）的完全阻断。显微观察进一步表明，3C/4的高倍率充电会导致 C/4 C)导致电极材料的结构降解，从而削弱电池的整体热稳定性。此外，该研究建立了热失控的"倍率-时间关联性"，表明更高的充放电倍率会加速热失控的发生（4 C倍率下比1 C倍率提前376秒），且质量损失速率与电流呈正相关。这些发现有助于提升电池系统的可靠性与安全性，并为优化锂离子电池设计和确保其安全运行提供了宝贵视角。 C), and the mass loss rate is positively correlated with the current. These findings contribute to enhancing the reliability and safety of battery systems and offer valuable perspectives for optimizing the design and ensuring the safe operation of LIBs.
关键词
锂离子电池安全性
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热失控传播
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SiO2气凝胶毡
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热抑制
引言
为电网支撑和可再生能源并网而快速部署的大规模锂离子电池储能系统（BESS）带来了显著的工艺安全挑战（Huang等，2024a；Pasman等，2023；Shabana等，2025）。从工艺安全视角看，BESS可视为蕴含大量化学能的复杂化工过程单元（Kumar Thakur等，2023；Tomaszewska等，2019；Wang等，2015）。热失控（TR）作为一种快速自加速的放热反应，其特性与化学反应器中的失控反应具有相似性。单个电池单元的失效可能向相邻单元扩散，进而触发整个系统的级联故障，形成典型的"多米诺效应"(Li et al., 2023)。因此，开发有效的安全屏障以预防或缓解TRP（热失控传播）是电池储能系统安全设计中关键的风险控制层，直接影响重大事故危害的发生概率与后果严重性(Liang et al., 2026; Sarkar et al., 2024; Wang et al., 2025a)。
锂离子电池中的热失控（TR）通常被定义为由电池内部一系列放热反应驱动的失控过程，其特征是温度急剧升高并伴随火灾或爆炸。主要触发机制包括机械滥用、电气滥用和热滥用（Choi等，2025；Huang等，2025e）。为有效预防热失控，必须全面理解失效机制与热失控特性。众多因素同时影响着热失控的引发与传播。Wang等（Wang等 %% 2025b）研究了充放电倍率和荷电状态对磷酸铁锂电池热失控及火灾行为的影响，证实高倍率循环会劣化电极结构，宏观上表现为降低热失控起始温度、加速热失控触发并加剧火灾烈度，从而在高倍率与高荷电状态下显著提升热失控风险。Hao等（Chen等徐等学者(Xu et al., 2024)研究了314Ah磷酸铁锂电池在过充和过热条件下的热失控(TR)与气体释放行为，证实过充工况相比过热会产生更大量气体且组分存在差异，这在宏观层面揭示了触发模式主导着爆炸极限及相关的热失控爆炸风险。徐等学者(Xu et al., 2022)通过实验研究了不同初始温度下细水雾对锂离子电池热失控行为的影响，表明细水雾能有效抑制热失控并将临界热失控触发温度提升约36℃，从而降低高温条件下的热失控风险。然而尽管这些研究阐明了影响热失控触发与严重程度的关键因素，在系统层面阻断热失控传播路径(TRP)的有效策略仍是亟待解决的核心难题。
鉴于影响热失控传播（TRP）的关键因素，众多研究尝试在电池单元间引入耐高温、低导热率的绝缘介质，以抑制热传递并阻断传播路径（Wang et al., 2025c; Wang et al., 2024a; Zou et al., 2024）。在过程安全工程领域，控制层级体系始终将本质安全与被动防护列为首要原则。电池间嵌入隔热材料作为被动安全屏障，是一种无需外部电力或触发逻辑即可生效的可靠措施。该方法在传统工业中已确立用于减缓火灾蔓延和连锁效应（Scarponi等，2017；Zeng等，2025）。将气凝胶毡应用于锂离子电池模块，体现了这一成熟安全理念在新技术领域的适应性转化。其超低导热系数直接增加了单元间的"安全距离"——这一本质安全原则，从而提高了事故传播阈值。该视角与过程安全及风险工程原理高度契合，其核心在于强调复杂储能系统中的本质安全设计及事故升级预防。
气凝胶毡构成了一类新型高性能绝热材料（Chen等，2025）。这类柔性绝热毡主要由纳米级二氧化硅（SiO2并通过专业复合工艺制备而成（Chen等，2023；Xu等，2023）。这类材料在保持足够拉伸与压缩强度的同时，展现出极低的热导率（He等，2025）。Tang等（Tang等，2024）采用陶瓷纤维增强气凝胶毡研究了NCM电池的热失控传播抑制，证实增加阻隔层厚度可延迟或完全阻止相邻电芯的热失控，从而通过有效抑制热传递揭示了厚度依赖性降低热失控传播风险的关键机制。Mao等（Mao等，2024）研究了密闭条件下陶瓷-气凝胶毡阻隔层对锂离子电池热失控的抑制效果，表明荷电状态会显著加剧封闭环境中的热失控传播，而陶瓷-气凝胶耦合阻隔层具有最优的缓解效果，这凸显了材料协同效应与荷电状态在降低热失控风险中的关键作用。
尽管气凝胶材料的隔热性能已得到广泛研究，但现有工作多数集中于稳态或简化的传热场景，对其在锂离子电池系统中抑制热失控传播（TRP）的有效性关注有限。特别是在实际滥用条件下，厚度依赖性阈值行为的识别仍缺乏深入探索。此外，电池性能衰减（如高倍率循环）与热防护策略的协同效应鲜有系统研究。这一空白限制了对绝缘材料在老化或高风险电池系统中性能表现的理解。因此，本研究采用不同厚度的气凝胶毡作为热失控防护材料（TRP），探究了不同充放电倍率下锂离子电池（LIBs）的热失控特性。研究系统考察了屏障厚度对热失控温度、火焰与烟雾行为以及质量损失的影响，同时分析了充放电倍率对电池结构、热失控温度和质量损失的作用机制。实验数据为材料设计与工艺安全优化提供了直接指导。此外，研究结果为制定电池储能系统（BESS）部署的安全标准提供了技术依据，特别是在单体电池间距设定和被动防护策略实施方面。本研究通过建立基于风险工程的解释框架，将实验发现与高能系统的事故预防及风险控制相关联，从而为工艺安全领域的整体架构作出了贡献。