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HAWKER蓄电池本征阻燃聚乙烯醇气凝胶用于电池热防护

锂离子电池广泛应用于电动汽车和便携式电子设备中。然而，与热失控（TR）相关的安全风险仍是关键挑战，可能导致火灾或爆炸。本文开发了一种可持续提升电池安全性的方法——阻燃气凝胶。该气凝胶（PCA）通过绿色策略合成，采用聚乙烯醇（PVA）基质与共价键合的柠檬酸-聚磷酸铵（CA-APP）网络构建，经冷冻干燥形成高度多孔的三维结构。含7.5% CA-APP的PCA7.5气凝胶在力学性能和热性能上均有显著提升，其压缩模量增加51.6%，导热系数低至0.053 W·m−1·K−1该材料还展现出优异的阻燃性能，其极限氧指数（LOI）达到27.8%，并通过UL94在模拟电池热失控测试中，PCA7.5气凝胶能有效隔离热量并阻止向相邻电芯的传播，同时显著抑制熔融掉落物和火焰蔓延，将燃烧等级降至UL-94 V-0级。%%该材料与相变材料集成应用于电池模组热管理系统时，可将电池温度维持在安全范围内并改善热均匀性。这些研究成果不仅推动了高性能阻燃气凝胶的开发，也为相关应用领域提供了重要参考。这项技术为提升先进电池技术及其他热管理系统的热安全性能开辟了极具前景的路径。-0 rating, while effectively suppressing melt droplets and flame spread. In simulated battery TR tests, the PCA7.5 aerogel successfully isolates heat, preventing propagation to adjacent cells. Furthermore, when integrated into battery modules with phase-change material for thermal management, it can maintain battery temperatures within safe limits and improved thermal uniformity. These results contribute to the development of high-performance flame-retardant aerogels and provide valuable insights into various application. It will offer a promising pathway for improving the thermal safety performance of advanced battery technologies and other thermal management systems.

引言

随着全球对气候变化与可持续能源发展的日益关注，电动汽车（EVs）因其在全生命周期中展现的低碳排放与高能效特性，已成为全球交通领域可持续转型的关键范式[1][2][3]。作为电动汽车的核心动力源，锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、可忽略的自放电率以及卓越的循环耐久性等固有优势，被普遍确立为电动汽车的首选动力解决方案[4][5]。然而，尽管技术持续进步，锂离子电池（LIBs）在极端滥用条件下仍易发生热失控（TR）。为有效抑制热失控蔓延，研究者提出了多种热管理与阻隔策略，其中在电池模组间引入高效隔热材料已被证实为一条切实可行的技术路径[6][7][8]。
近年来，气凝胶材料因其超低密度、优异绝热性能及高孔隙率等特性[9][10][11]，在电池热防护系统中展现出巨大应用潜力。传统气凝胶多由无机纤维（如岩棉、矿渣棉）构成，虽具备一定耐高温性，但普遍存在生物相容性差、不可降解、易产生粉尘等问题[12]。长期接触可能危害人体健康并造成环境负担[13]。因此，开发兼具高性能与环境可持续性及生物降解性的先进阻燃隔热材料已成为关键研究重点[14][15][16]。在此背景下，有机聚合物气凝胶因其原料来源丰富、结构可调及易于功能化等优势受到广泛关注[17][18][19][20]。这类材料不仅具有低导热率、高比表面积和良好机械柔韧性，还能通过分子设计实现多功能集成，在吸声[21][22]、油水分离[23][24]、电磁屏蔽[25][26]以及阻燃隔热[27][28]等领域展现出广阔前景。
聚乙烯醇（PVA）作为一种可持续、可再生且可生物降解的高分子材料，因其优异的生物相容性和卓越的热稳定性而脱颖而出，成为气凝胶制备的理想基体材料[29][30][31]。然而，PVA固有的易燃性仍是其关键缺陷[32]。传统PVA基材料在燃烧时往往伴随剧烈火焰蔓延，释放大量热量与浓烟，这极大限制了其在高温或火灾风险环境中的实际应用[33]。因此，研究者通过物理共混方式将无机[34]、碳基[35]和二维层状阻燃填料[36][37]引入PVA基体，利用吸热分解、成炭效应和抑烟功能的协同作用实现阻燃性能。尽管上述研究取得显著进展，但现有方法主要依赖添加型阻燃剂，仍存在易迁移、长期稳定性差等问题。
相比之下，本征阻燃气凝胶材料通过化学键合将阻燃元素稳定嵌入气凝胶骨架中，因其阻燃组分无迁移特性及优异的耐久性而具备更大的发展潜力。Li等人[38]采用DOPO-KH550对空心玻璃微球进行改性，并通过柠檬酸交联将阻燃剂整合到PVA网络中，其中化学键合增强了稳定性，冷冻干燥工艺则保持了高孔隙率，有效克服了物理共混阻燃剂的脱落问题。Xu等人[39]通过将含磷阻燃剂BGP与天然中空木棉纤维及PVA基体化学键合，实现了阻燃性能的本征化集成，同时借助气-固协同机制同步提升阻燃与隔热性能，并改善了材料机械强度与结构稳定性。但该领域研究仍处于起步阶段，尤其在绿色合成路径、分子结构调控及阻燃机理解析等方面存在大量空白。
聚磷酸铵（APP）是一种高效无机阻燃剂，其热分解生成聚磷酸可在材料表面形成碳化绝缘层，同时释放惰性气体以稀释可燃气体，实现气固协同阻燃作用，因而被广泛应用于聚合物阻燃改性领域。柠檬酸（CA）具有多羧基结构，能与聚合物链形成多点酯交联网络，从而提升材料的热稳定性和机械强度，是有机合成中常用的交联剂。基于此，本研究提出一种绿色高效的本征阻燃有机气凝胶构建策略：利用柠檬酸（CA）分子中羧基在加热条件下与聚磷酸铵（APP）中铵离子发生脱水缩合反应的倾向，形成稳定的酰胺键，从而原位合成具有共价连接结构的CA-APP阻燃单元。随后将CA-APP引入PVA水溶液体系，通过充分反应形成三维交联网络，并采用冷冻干燥技术制备出轻质多孔的本征阻燃有机气凝胶。该方法不仅避免了有毒溶剂的使用，还实现了阻燃组分在基体中的均匀分布与化学锚定，从根本上提升了气凝胶的热稳定性与阻燃耐久性。为评估所制备气凝胶在电池热防护中的应用潜力，本研究构建了一个从材料到模块的实验框架，将材料特性与热管理性能及热失控抑制效果关联起来。首先研究了气凝胶的微观结构、隔热性、阻燃性和力学性能，以阐明其结构-性能关系。更重要的是，本研究开展了电池模块热管理测试及模拟热失控传播实验，以评估气凝胶在实际工况下对热传递调控与防火安全热防护的作用。其中特别关注模拟热失控场景，因其能直接反映气凝胶抑制热量向相邻电池单元传播的能力。本研究旨在为开发基于气凝胶的阻隔材料提供材料学见解和应用导向指导，从而构建更安全的锂离子电池系统。
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