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氟化物新能源技術研究中心、北京大學、清華大學團隊--熱切換、三功能陶瓷-水凝膠納米復合材料可在實際電池系統中實現全生命周期安全

與火災和爆炸相關的大型鋰離子電池系統的熱失控 (TR) 故障已成為越來越受關注的問題。在這里，我們設計了一種智能陶瓷-水凝膠納米復合材料，提供集成的熱管理、冷卻和防火功能，并實現全生命周期的安全性。玻璃陶瓷納米帶海綿表現出很高的機械柔韌性，具有 80% 的可逆壓縮率和高抗疲勞性，可以與聚合物納米粒子水凝膠牢固耦合并形成熱轉換納米復合材料。在運行模式下，納米復合材料的高焓可實現高效的熱管理，從而防止在極快充電條件下出現局部溫度峰值和過熱。在機械或熱濫用的情況下，儲存的水可以立即釋放，留下具有低導熱率（42 mW m^-1K^-1 200 ℃）和耐高溫（高達 1300℃）的高柔性陶瓷基體 C，從而有效地冷卻TR電池并減輕毀滅性的TR傳播。多功能性、自適應性、環境友好性和制造可擴展性使這種材料在實際安全保證應用中極具吸引力。

圖 1. (a) 實際全生命周期熱安全管理的要求和解決方案。 (b) 從陶瓷溶膠到陶瓷-水凝膠納米復合材料的轉化過程。 (c) 不同材料的表面 zeta 電位。 (d) 源自 X 射線顯微斷層掃描的納米復合材料的 3D 重建。 (e) 制造的陶瓷-水凝膠納米復合材料相關尺寸的示意圖。

圖 2. (a) 通過靜態混合輔助溶液-吹塑-紡絲法批量生產陶瓷納米帶海綿。 (b) 不同成分的陶瓷納米帶的橫截面 SEM 圖像。 (c) SEM 圖像顯示單個納米帶的超低曲率半徑。 (d) 陶瓷納米帶的明場 TEM 圖像，說明了玻璃陶瓷結構。右圖：對應的 EDS 映射。 (e) 陶瓷納米帶的 HR-TEM 圖像顯示了 ZrO₂ NPs 的單晶性質。 (f) ZrO₂ 納米顆粒的 SAED 圖案表明陶瓷納米帶是多晶材料，其中結晶成分是四方 ZrO₂。 (g) 彎曲到相同程度的五個代表性納米帶中的 von Mises 應力分布以及具有不同 ZrO₂-SiO₂ 比率（1:2、1:1、2:1、3:1 和 4:1）的所有納米帶的有限元模型。

圖 3. (a) 在 FIB-SEM 內對單個 2ZrO2·SiO2 納米帶進行原位彎曲測試。 (b) 陶瓷納米帶海綿的單軸壓縮-恢復應力與應變曲線的關系。 (c) 壓縮應變為 50% 的陶瓷納米帶海綿的 1000 次循環疲勞試驗。 (d) 陶瓷納米帶海綿的楊氏模量、能量損失系數和最大應力與循環次數的函數關系。 (e) 顯示 PNP 水凝膠形成的示意圖。 (f) PNP 水凝膠在三個循環中的階躍應變測量 (ω = 10 rad s^-1 25 ℃)。（g 和 h）作為應變（ω = 10 rad s^-1, 25 ℃）和頻率（ε = 2%, 25℃）的函數的 PNP 水凝膠的振蕩剪切流變學。 (i) PNP 水凝膠的穩定剪切流變學。

圖 4. (a) 陶瓷-水凝膠納米復合材料的循環 DSC。插圖：由鋁塑薄膜封裝的納米復合材料。 (b) 比較報告的相變材料和冷卻劑之間的材料焓。 (c) 納米復合材料的熱導率。 (d) 長循環實驗中電池表面的溫度波動。 (e 和 f) 由納米復合材料包裹的四電池模塊在 1 C 下沒有保護的循環性能。(g) 測試的單電池照片及其在 100 至 350 分鐘放電過程中的 IR 圖像。 (h) 三個電池在充電和放電期間的溫度曲線。 (i 和 j) 純和納米復合材料包裹電池的 TR 溫度圖和通過 ARC 測試測量的相應溫度升高率。

圖 5. (a) 陶瓷-水凝膠納米復合材料的熱重曲線。 (b) 理論計算得到的層狀和各向同性結構模型的傳熱過程。 (c) 從理論計算和實驗測量中獲得的熱導率結果的比較。（d 和 e）四電池 LIB 模塊和受納米復合材料保護的相應模塊結構的釘子穿透誘導的 TR 傳播測試期間溫度的時間演變。（f 和 g）過熱引起的 TR 傳播測試期間溫度的時間演變和受納米復合材料保護的相應模塊結構。 (h) TR 傳播測試期間受保護的 24 芯 LIB 包的照片。

相關研究成果由氟化物新能源技術研究中心、北京大學、清華大學團隊Fei Xu、Xiaoding Wei和Hui Wu等人2022年發表在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。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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