第一作者：Jing Wang

通訊作者：楊穎， 陸俊

通訊單位：清華大學(xué)，浙江大學(xué)

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有效的熱安全管理依賴于夾層材料的導(dǎo)熱性，但目前的設(shè)計(jì)缺乏對性能和安全性的必要響應(yīng)。

本論文提出了一種新型的溫度響應(yīng)式熱調(diào)節(jié)器，用于電池模塊的熱安全管理。該材料具有較寬的熱傳導(dǎo)溫度范圍（室溫下位1.33 W·m^?1?K^?1），并在加熱至大約100°C時(shí)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榻^熱狀態(tài)（0.1 W·m^?1 K^?1）。

這種熱開關(guān)材料（Thermal-Switching Material, TSM）由具有溫度敏感體積膨脹的微球和二維石墨烯層組成，能夠在電池正常工作條件下確保溫度分布均勻，并在熱失控（Thermal Runaway, TR）發(fā)生時(shí)有效阻止80%的熱量傳播，避免電池爆炸。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種熱響應(yīng)材料的設(shè)計(jì)將確保高能量密度電池模塊在其整個(gè)使用壽命中的安全性和高性能。

圖文導(dǎo)讀

圖1：TSM的設(shè)計(jì)原理。

圖2：TSM的光學(xué)和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖3：TSM的熱性能和開關(guān)性能。

圖4：TSM在實(shí)際電池包中的熱失控（TR）傳播測試和熱管理實(shí)驗(yàn)。

圖5：高能量LIB模塊的TR傳播測試。

總結(jié)展望

本研究成功開發(fā)了一種具有高對比度的熱傳遞/隔離可切換的微型熱調(diào)節(jié)器，通過在連接的石墨烯層之間嵌入熱膨脹微球，實(shí)現(xiàn)了超過10的高開關(guān)比。該熱調(diào)節(jié)器能夠在室溫下保持1.33 W·m^?1?K^?1的熱導(dǎo)率，并在100°C左右迅速轉(zhuǎn)變?yōu)?.1 W·m^?1?K^?1的絕熱狀態(tài)。在電池模塊中應(yīng)用時(shí)，TSM不僅可以在50秒內(nèi)將電池間的溫度差異降低到5°C以下，提高電池組的電化學(xué)性能，更重要的是，TSM在防止TR傳播和電池爆炸方面表現(xiàn)出色。

TSM能夠阻止TR產(chǎn)生的80%總熱量，成功防止了四個(gè)50Ah Ni-Co-Mn LIB模塊中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不受控制。此外，與商業(yè)用的隔熱氣凝膠相比，TSM不僅阻止了TR的熱量傳導(dǎo)，還提供了寬的熱傳導(dǎo)窗口來緩沖累積的熱量，這是成功阻止TR傳播的關(guān)鍵。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)集成的電池?zé)峁芾砗桶踩到y(tǒng)提供了一個(gè)有希望的途徑。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Rapid temperature-responsive thermal regulator for safety management of battery modules

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01535-5