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)計將確保高能量密度電池模塊在其整個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，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)計集成的電池?zé)峁芾砗桶踩到y(tǒng)提供了一個有希望的途徑。

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