CAT蓄电池梯度热管理-预警复合膜用于锂离子电池安全性的全方位提升
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-01 14:36:48 点击： 次
引言
电动汽车的普及推动了锂离子电池的快速发展（Zeng等，2019）。然而，内部缺陷、过充放电以及高温环境均可能引发电池热失控并导致灾难性后果（Liu等，2018；Deng等，2024；Kong等，2021）。当前亟需立即提升电池安全性。为解决或缓解此类安全问题，学界已开发出热管理调控、阻燃技术以及高温/火焰报警等方法（Nasiri与Hadim，2024；Han等，2025；Pan等，2024）。其中，水合盐基材料因其卓越的温度调节效率、节能性和经济实用性而备受关注（Zeng等，2023；Yu等，2022；Xu等，2025）。具体而言，其在固液相变（40-70℃）过程中释放的高潜热（>200 J/g）可有效冷却电池以防止过热。当温度超过100℃时，进一步的热化学反应通常能吸收大量热量（>500 J/g），在热失控预防和阻燃方面展现出应用潜力。此外，水合盐在熔融过程中电阻显著降低，可与LED等电阻敏感器件联用，实现高温报警功能。
在水合盐应用于热管理与警报系统时，需克服若干技术障碍。原始水合盐在固-液相变过程中易发生渗漏，且热导率较低（Chen等，2022；Han等，2019）。常规解决方案是制备水合盐基复合材料，但这会降低材料的潜热和热调控能力（Tian等，2024；He等，2024）。因此，亟需开发兼具高潜热、高导热性且防泄漏特性的水合盐复合材料。此外，水合盐的热化学反应通常发生在100-180℃区间（Lu等，2025；Lei等，2025），而电池热失控温度可达800℃（Mao等，2021），这表明水合盐可能仅在热失控与燃烧初期阶段有效。最后，熔融态水合盐的电阻突变特性仅适用于高温报警，虽对预防潜在危险具有一定作用，但当燃烧等真实危险发生时，该报警系统将失效。
天然矿物蒙脱石可剥离成纳米片并通过亲水聚合物交联形成高孔隙率气凝胶（Zong等，2022；Wei等，2022；Wang等，2024）。二维蒙脱石纳米片（MMTNS）还具有增强各向异性程度并促进定向结构形成的作用（Ye等，2019；Guo等，2022；Chen等，2024）。因此，基于这种高孔隙率且定向排列的MMTNS气凝胶构建的水合盐复合材料，极有可能同时获得高热导率与大相变潜热。此外，MMTNS还被应用于阻燃领域，因其能在300℃以上促进碳层的形成以隔绝热量和空气（Zhou等，2025；Jiang等，2025；Zhang等，2024），这有效弥补了水合盐阻燃剂的缺陷。鉴于MMTNS本身不具备导热性，可引入具有高导热特性的碳纳米管（Zhan等，2022；Zeng等，2022；Liu等，Mater 2024）。值得注意的是，经胺化处理的碳纳米管由于部分碳原子轨道杂化从sp2转变为sp3而具有较高电阻。当遭遇火情时，氨基基团被烧蚀，电阻值急剧下降。因此，氨基化碳纳米管（A-CNTs）也凭借电阻的剧烈波动特性被用于火焰报警系统（Wang等，2022；Zhu等，2023）。
本文设计了一种层状多孔气凝胶材料，其中蒙脱石纳米片（MMTNS）通过亲水性聚乙烯醇交联，表面缠绕着活化碳纳米管（A-CNTs）。该气凝胶内稳定存储着具有理想熔点（58℃）和热化学反应温度（100-180℃）的三水合乙酸钠（SAT），形成水合盐复合材料。由此制得的防泄漏复合材料兼具高相变潜热与高导热性，可通过熔融过程冷却过热电池，从而实现优异的充放电性能。与此同时，水合盐相变过程中电阻率下降可触发阻敏LED发出警报。作为首道防线的高温调控与报警系统能有效消除电池安全隐患。若发生热失控引发燃烧，SAT与MMTNS的协同效应可发挥冷却强化作用，并实现气热双隔绝，达成广谱阻燃效果。A-CNTs表面的氨基团受热分解将导致电阻骤降，从而联动阻敏装置触发警报。阻燃警报系统可作为电池安全最后一道防线。本研究核心思想如图式1所示。据我们所知，这是首次提出双梯度热管理-警报系统的研究。该双梯度设计集成了灵敏持久的警报功能、高效的热调节能力及广谱阻燃特性，有望显著提升电池安全性能。
