清华伍晖、北大韦小丁合作 ACS Nano：利用热性能可切换的三功能陶瓷-水凝胶纳米复合材料实现对电池系统的全生命周期安全管理

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在燃料、炸药、推进剂和电池等各种高比能系统中，能量密度和安全性基本上是不相容的。在过去几十年中，由于高镍电极技术的进步，锂离子电池单体的能量密度一直在稳步增长。而且，电动汽车、电网规模的储能电池和应急电源对具有高能量密度和良好安全性的电化学存储装备的需求也日益增长。然而，储能站和商用电动汽车在近些年频繁发生火灾事故，且故障机制复杂，这削弱了行业使用高比能锂离子电池的信心。

近期，清华大学伍晖副教授与北京大学韦小丁研究员联合多氟多新能源科技有限公司许飞等提出了一种具有集成热管理和防火功能的陶瓷水凝胶纳米复合材料的新概念，以解决大型锂离子电池系统中的全生命周期安全隐患。该工作首先制备了微晶玻璃纳米带陶瓷海绵，该陶瓷海绵具有80%可逆压缩性、高抗疲劳性和高机械柔韧性，可与聚合物-纳米颗粒水凝胶牢固结合，形成稳定的纳米复合材料。在正常工作模式下，纳米复合材料的高焓值可实现有效的热管理，从而防止在极快充电条件或者内部缺陷下出现的局部温度峰值和过热。如果发生机械或热滥用，复合材料可立即释放储存的水，留下具有低导热性（200°C时为42 mW m^–1 K^–1）和耐高温性（高达1300°C）的高度柔性陶瓷基质，从而有效冷却热失控电池并延迟甚至阻断破坏性热失控传播（图1-5）。这种设计具有普适性，可以在各种具有潜在热失控风险的系统中使用。该工作以“Thermal-Switchable, Trifunctional Ceramic–Hydrogel Nanocomposites Enable Full-Lifecycle Security in Practical Battery Systems”为题发表在《ACS Nano》(ACS Nano, 2022, 10.1021/acsnano.2c02557)。文章的第一作者是清华大学博士后李磊，北京大学工学院方奔博士是共同第一作者。

图1.（a）全生命周期热安全管理的要求和解决方案。（b）从陶瓷溶胶到陶瓷-水凝胶纳米复合材料的转变过程。（c）不同材料的表面zeta电位。（d）从X射线显微层析成像获得的纳米复合材料的三维结构。（e）陶瓷-水凝胶纳米复合材料相关尺寸示意图。

图2. 陶瓷纳米带结构表征

图3. 陶瓷纳米带的柔弹性及水凝胶的流变特性

图4. 陶瓷-水凝胶纳米复合材料的热管理功能

图5. 陶瓷-水凝胶纳米复合材料的热失控蔓延阻隔能力

该工作是团队近期关于高比能锂离子电池系统热失控防护相关研究最新进展之一。高比能锂离子电池的安全性一直是困扰产业界的难题。为此团队发展了纳米纤维智能防隔热的方法，揭示了高比能锂离子电池热失控与热蔓延的过程。在过去两年中，团队制备了“灭火剂+氧化硅纳米纤维海绵”智能防火墙（Energy Storage Materials 2021, 40, 329），“纳米晶双相莫来石纳米纤维海绵”高性能隔热片（Materials Today 2022, 54, 72），实现了对53Ah的NCM523锂离子电池热失控蔓延的完全阻断。此外，基于陶瓷纳米纤维的气纺丝制备方法，开发了多种具有隔热（Science Advance 2017, 3, e1603170; J Am Ceram Soc 2018, 101, 1677; Science Advance 2022, 8, eabn3690）、吸音降噪（Nature Communications 2020, 11, 3732）、高温烟气过滤（Small 2018, 14, e1800258; Nano Lett 2020, 20, 4993）功能的柔性陶瓷体系。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02557

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