清华杨颖联手浙大陆俊，最新Nature Energy！超安全电池，阻止80%热传播！

第一作者：Jing Wang

通讯作者：杨颖， 陆俊

通讯单位：清华大学，浙江大学

论文速览

有效的热安全管理依赖于夹层材料的导热性，但目前的设计缺乏对性能和安全性的必要响应。

本论文提出了一种新型的温度响应式热调节器，用于电池模块的热安全管理。该材料具有较宽的热传导温度范围（室温下位1.33 W·m^⁻¹ K^⁻¹），并在加热至大约100°C时迅速转变为绝热状态（0.1 W·m^⁻¹ K^⁻¹）。

这种热开关材料（Thermal-Switching Material, TSM）由具有温度敏感体积膨胀的微球和二维石墨烯层组成，能够在电池正常工作条件下确保温度分布均匀，并在热失控（Thermal Runaway, TR）发生时有效阻止80%的热量传播，避免电池爆炸。研究团队认为，这种热响应材料的设计将确保高能量密度电池模块在其整个使用寿命中的安全性和高性能。

图文导读

图1：TSM的设计原理。

图2：TSM的光学和扫描电子显微镜（SEM）图像。

图3：TSM的热性能和开关性能。

图4：TSM在实际电池包中的热失控（TR）传播测试和热管理实验。

图5：高能量LIB模块的TR传播测试。

总结展望

本研究成功开发了一种具有高对比度的热传递/隔离可切换的微型热调节器，通过在连接的石墨烯层之间嵌入热膨胀微球，实现了超过10的高开关比。该热调节器能够在室温下保持1.33 W·m^⁻¹ K^⁻¹的热导率，并在100°C左右迅速转变为0.1 W·m^⁻¹ K^⁻¹的绝热状态。在电池模块中应用时，TSM不仅可以在50秒内将电池间的温度差异降低到5°C以下，提高电池组的电化学性能，更重要的是，TSM在防止TR传播和电池爆炸方面表现出色。

TSM能够阻止TR产生的80%总热量，成功防止了四个50Ah Ni-Co-Mn LIB模块中的链式反应不受控制。此外，与商业用的隔热气凝胶相比，TSM不仅阻止了TR的热量传导，还提供了宽的热传导窗口来缓冲累积的热量，这是成功阻止TR传播的关键。这项工作为设计集成的电池热管理和安全系统提供了一个有希望的途径。

文献信息

标题：Rapid temperature-responsive thermal regulator for safety management of battery modules

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01535-5