CAT蓄电池浸没冷却与隔热材料协同抑制锂离子电池模组热失控传播的方法
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-16 18:31:06 点击： 次
引言
锂离子电池（LIBs）作为电动汽车和大规模电池储能系统中的核心储能器件，其能量密度已实现显著提升，尤以镍钴锰（NCM）三元体系为甚。然而能量密度的提升同时加剧了系统层级的安全风险。在滥用条件下，电池内部产热速率可能超过模组散热能力，从而引发热失控（TR）——这种自加速放热反应伴随温度急剧上升、Gas释放、起火及爆炸风险（Wang et al., 2024, Wang et al., 2020）。定量产热表征技术的最新进展为电池热行为评估提供了更精准的方法（Sheng et al., 2025a, Sheng et al., 2024a）。此外，研究人员已利用内部温度演变与外部可测参数之间的关联性，为大型储能电池的早期热失控预警提供了新方法（Ouyang等，2025a）。最新研究表明，高倍率运行会显著改变方形NCM电池的热失控特征与安全边界（Jia等，2025a）。更重要的是，磷酸铁锂电池的热失控行为与其容量和荷电状态密切相关（Wang等，2026）。从过程安全角度考量，热失控（TR）是能在密闭电池模组内引发二次连锁灾害的主要危险事件。
热失控可由内部短路、机械滥用或过充电引发，并通过SEI分解、隔膜熔化和正极释氧等耦合放热反应逐步加剧（Ouyang et al., 2025a）。这些过程形成自加速的热量正反馈循环，迅速超出系统散热能力，近期综合性综述对此进行了系统阐述（Ouyang et al., 2025b）。因此，研究人员提出采用阻燃导热隔膜以延缓热失控过程中隔膜失效与热量积聚（Bai等，2025）。在实际电池模组中，单体电池失效可能升级为模组级别火灾，这反映出热失控传播的多米诺效应。然而，如何平衡传播抑制、散热效率与二次燃烧风险仍是关键技术挑战，这主要源于实际电池模组中Gas生成、热量积聚与受限效应之间复杂的相互作用关系。 （注：根据术语表要求，保留"Gas"不译；学术术语如"thermal runaway"译为"热失控"，"separator"译为"隔膜"，"domino nature"译为"多米诺效应"等均符合学术规范；引用格式与原文保持一致）
热失控传播（TRP）表现为一种链式反应，即电池模组中单个电芯的失效会引发相邻电芯的相继失效。在安全工程术语中，TRP可解释为多米诺效应或升级效应，其中局部初始事件会放大系统层面的后果严重性。因此，抑制TRP不仅是热管理问题，更是关键的升级控制问题。核心挑战在于平衡正常运行期间的散热效率与异常情况下的有效危害隔离。大量研究已探讨了TRP的缓解策略。诸如热管和细水雾系统等技术在实验室条件下已证实能有效减缓传播速度（Zhang et al., 2023, Liu et al., 2023a, Huang et al., 2023）。特别是Wang等通过系统调控细水雾释放参数，深入研究了水雾对电池热失控及其伴随烟尘危害的抑制性能，为火焰抑制与危害缓解提供了量化证据（Wang et al., 2025）。浸没式冷却技术将电芯直接浸没于介电冷却液中，相较于传统空气或冷板冷却系统（包括圆柱电池的蜂窝状液冷套设计），该技术可强化全向热传导并提升温度均匀性（Giammichele et al.2022年Williams和O'Shaughnessy、2022年Sundin和Sponholtz、2020年Jiang等、2024年Sheng等、2021年的研究表明，实验研究证实浸没环境在特定Trigger条件下能够延缓甚至阻止热传播（2020年Zhou和Dai，2023b年Liu等），并在实际储能系统中验证了可行性（2025a年Sheng等，2026年Sheng等）。从安全工程角度看，这些方法可视为通过提升散热能力来降低热失控强度的主动缓解屏障。然而现有研究多集中于热性能优化方面，针对TR管理的综合评估仍显不足（2025b年Sheng等）。
此外，保温材料的应用、电池排列的优化以及热电冷却器的部署，显著降低了TRP风险。Feng等(Feng et al., 2016)强调，可通过增强散热或集成电池间绝缘系统来抑制热失控。Sun等(Sun et al., 2024)系统评估了多种材料作为电池间绝缘层的效能，证实其作为TRP有效屏障的作用。Lu等(Lu et al., 2024)采用相变材料（PCM）与液体微通道相结合的混合方法，使热管理系统能够在热失控发生前后将电池温度维持在80°C左右。%%Liu等研究者（Liu et al., 2024）将相变材料与热电冷却器集成，并通过结构优化实现了最低128°C的受控电池温度。Zuo等学者（Zuo et al., 2025）在对比研究中%%分析了相变冷却、绝缘冷却与液体冷却对热失控行为的影响，发现集成热管理系统可将电池最高温度从620°C降至60°C，显示出热抑制性能的显著提升。实验研究表明，包裹与封装材料显著影响电池热失控的触发与传播过程（Chen et al., 2025）。
Li等人(Li et al., 2025)对四种非离子表面活性剂进行的系统性实验研究表明，具有较低表面张力和发泡能力的表面活性剂在抑制热失控方面表现出更优异的效能。Sadar等人(Sadar et al., 2024)则对变压器油与相变材料(PCMs)减轻热失控影响的效果进行了对比实验分析。他们的研究结果表明，虽然基于PCM的解决方案通过减缓温度骤升和传播速度有效预防了热失控，但变压器油表现出更强的抑制性能。Yang等人(Yang et al., 2024)评估了间接液冷板、绝缘材料和PCMs的抑制效果，指出尽管绝缘材料和PCMs在能量密度方面具有优势，但在热管理和TRP抑制方面表现欠佳。相比之下，冷却板在高流速条件下能有效抑制热失控传播（TRP），但其代价是会在电池单体间引入显著温度梯度。Qiu等（Qiu et al., 2024）采用阻燃柔性复合相变材料（PCM），成功抑制了电池模组内的热失控蔓延。在相关研究中，Xiao等（Xiao et al., 2024）将复合相变材料（CPCM）与液冷系统集成，证实降低CPCM的热导率可显著延迟热失控传播，而冷却板通道数量对传播时间影响甚微。为提升双相PCM性能，Shivram等（Shivram and Harish, 2024）引入锥形翅片与纳米颗粒，实现了对锂离子电池传热特性的有效调控。
气凝胶毡相较于传统保温材料展现出更优异的隔热性能、更低密度及更强的耐火性。当作为高镍三元电池涂层应用时，Al₂O₃/PI复合材料可提供有效的高温防护与电气绝缘性能。Al₂O₃颗粒的引入进一步促进了工作过程中的横向热扩散，从而降低局部热量积聚风险。实验证明，采用该材料包覆NCM622电池可显著提升其在长周期充放电过程中的容量保持率（Neudeck et al., 2019）。针对锂离子电池模组的热失控传播问题，Yu（Yu et al., 2025）提出了一种新型三相复合绝缘材料。凭借其强附着力和化学稳定性，此类绝缘材料在浸没式冷却热管理系统中展现出可观的应用潜力。根据Wei等人（Wei et al., 2024）的研究。采用聚酰亚胺气凝胶阻隔TRP现象的研究表明，增加气凝胶厚度可延缓热失控发生，当厚度达到2毫米时能完全阻断热蔓延。Chen等学者（Chen et al., 2024）开发了一种具有高隔热性能的环保型气凝胶，通过将电池加热至300℃模拟热失控，验证了该材料对TRP的抑制效果。此外，学者们还提出了材料层面和电极层面的改进策略，例如基于碳-气凝胶的复合结构设计，以提升电池本征安全性（Jia et al., 2025b）。最新研究表明，高倍率循环引发的微观结构退化会显著影响后续热失控传播（Zhang et al., 2025）。尽管浸没式冷却技术在抑制TRP方面已展现出优势，但其综合安全性能仍存在重大认知空白（Feng et al., 2024; Schöberl et al., 2024）。首先，主动浸没冷却与被动绝缘屏障之间的协同作用尚未从事故升级控制角度进行系统评估。其次，在热失控事件中，介电冷却剂可能引发二次燃烧危害，从而抵消其缓解优势。因此，需开展以安全为导向的综合研究，量化主动-被动联合防护方案下的蔓延抑制效率、峰值温度降低幅度、质量损失特性及燃烧行为。本研究通过实验探究了融合浸没冷却与先进隔热材料的复合策略在NCM622电池模块中的应用效果。通过分析蔓延速率、热响应、结构形变及燃烧特性，本研究致力于阐明多层安全屏障的协同机制，并为高能量密度电池系统的级联控制与后果缓解提供工程指导。
