氟化物新能源技术研究中心、北京大学、清华大学团队--热切换、三功能陶瓷-水凝胶纳米复合材料可在实际电池系统中实现全生命周期安全

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与火灾和爆炸相关的大型锂离子电池系统的热失控 (TR) 故障已成为越来越受关注的问题。在这里，我们设计了一种智能陶瓷-水凝胶纳米复合材料，提供集成的热管理、冷却和防火功能，并实现全生命周期的安全性。玻璃陶瓷纳米带海绵表现出很高的机械柔韧性，具有 80% 的可逆压缩率和高抗疲劳性，可以与聚合物纳米粒子水凝胶牢固耦合并形成热转换纳米复合材料。在运行模式下，纳米复合材料的高焓可实现高效的热管理，从而防止在极快充电条件下出现局部温度峰值和过热。在机械或热滥用的情况下，储存的水可以立即释放，留下具有低导热率（42 mW m^-1K^-1 200 ℃）和耐高温（高达 1300℃）的高柔性陶瓷基体 C，从而有效地冷却TR电池并减轻毁灭性的TR传播。多功能性、自适应性、环境友好性和制造可扩展性使这种材料在实际安全保证应用中极具吸引力。

图 1. (a) 实际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化过程。 (c) 不同材料的表面 zeta 电位。 (d) 源自 X 射线显微断层扫描的纳米复合材料的 3D 重建。 (e) 制造的陶瓷-水凝胶纳米复合材料相关尺寸的示意图。

图 2. (a) 通过静态混合辅助溶液-吹塑-纺丝法批量生产陶瓷纳米带海绵。 (b) 不同成分的陶瓷纳米带的横截面 SEM 图像。 (c) SEM 图像显示单个纳米带的超低曲率半径。 (d) 陶瓷纳米带的明场 TEM 图像，说明了玻璃陶瓷结构。右图：对应的 EDS 映射。 (e) 陶瓷纳米带的 HR-TEM 图像显示了 ZrO₂ NPs 的单晶性质。 (f) ZrO₂ 纳米颗粒的 SAED 图案表明陶瓷纳米带是多晶材料，其中结晶成分是四方 ZrO₂。 (g) 弯曲到相同程度的五个代表性纳米带中的 von Mises 应力分布以及具有不同 ZrO₂-SiO₂ 比率（1:2、1:1、2:1、3:1 和 4:1）的所有纳米带的有限元模型。

图 3. (a) 在 FIB-SEM 内对单个 2ZrO2·SiO2 纳米带进行原位弯曲测试。 (b) 陶瓷纳米带海绵的单轴压缩-恢复应力与应变曲线的关系。 (c) 压缩应变为 50% 的陶瓷纳米带海绵的 1000 次循环疲劳试验。 (d) 陶瓷纳米带海绵的杨氏模量、能量损失系数和最大应力与循环次数的函数关系。 (e) 显示 PNP 水凝胶形成的示意图。 (f) PNP 水凝胶在三个循环中的阶跃应变测量 (ω = 10 rad s^-1 25 ℃)。（g 和 h）作为应变（ω = 10 rad s^-1, 25 ℃）和频率（ε = 2%, 25℃）的函数的 PNP 水凝胶的振荡剪切流变学。 (i) PNP 水凝胶的稳定剪切流变学。

图 4. (a) 陶瓷-水凝胶纳米复合材料的循环 DSC。插图：由铝塑薄膜封装的纳米复合材料。 (b) 比较报告的相变材料和冷却剂之间的材料焓。 (c) 纳米复合材料的热导率。 (d) 长循环实验中电池表面的温度波动。 (e 和 f) 由纳米复合材料包裹的四电池模块在 1 C 下没有保护的循环性能。(g) 测试的单电池照片及其在 100 至 350 分钟放电过程中的 IR 图像。 (h) 三个电池在充电和放电期间的温度曲线。 (i 和 j) 纯和纳米复合材料包裹电池的 TR 温度图和通过 ARC 测试测量的相应温度升高率。

图 5. (a) 陶瓷-水凝胶纳米复合材料的热重曲线。 (b) 理论计算得到的层状和各向同性结构模型的传热过程。 (c) 从理论计算和实验测量中获得的热导率结果的比较。（d 和 e）四电池 LIB 模块和受纳米复合材料保护的相应模块结构的钉子穿透诱导的 TR 传播测试期间温度的时间演变。（f 和 g）过热引起的 TR 传播测试期间温度的时间演变和受纳米复合材料保护的相应模块结构。 (h) TR 传播测试期间受保护的 24 芯 LIB 包的照片。

相关研究成果由氟化物新能源技术研究中心、北京大学、清华大学团队Fei Xu、Xiaoding Wei和Hui Wu等人2022年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02557)上。原文：Thermal-Switchable, Trifunctional Ceramic–Hydrogel Nanocomposites Enable Full-Lifecycle Security in Practical Battery Systems。

转自《石墨烯研究》公众号



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