新型水合盐改性水系灭火剂的开发：锂离子电池双重冷却机制与传热传质模型

为解决锂离子电池(LIB)热失控(TR)引发的安全挑战，研究人员开发了一种新型水合盐改性水系灭火剂。该材料通过抑制高温膜态沸腾和利用水合盐吸热分解，实现双重冷却机制，将膜态沸腾温度提升250～500°C，在800°C以上仍保持优异冷却性能。实验表明其冷却速率较纯水提升119.6%，并显著降低TR火灾中的温度回弹。研究还建立了一维传热传质模型，揭示了盐沉积与沸腾传热的耦合效应，为LIB安全提供了可规模化应用的解决方案。

　　

锂离子电池(LIB)因其高能量密度和长循环寿命成为电动汽车和储能系统的核心，但热失控(TR)引发的火灾风险始终是悬在头顶的"达摩克利斯之剑"。2024年5月加州Gateway储能站持续11天的火灾事故，再次敲响安全警钟。传统水系灭火剂在超过800°C的TR场景中，因膜态沸腾（Leidenfrost Point, LFP仅150～280°C）形成蒸汽膜屏障，导致冷却效率断崖式下跌。尽管表面改性和纳米添加剂等策略能提升LFP，但面临成本高、热稳定性差（如300°C分解的有机表面活性剂）等瓶颈。

针对这一难题，广州化学试剂厂等机构的研究团队在《Applied Materials Today》发表突破性成果，提出水合盐改性水系灭火剂新方案。该材料通过双重机制革新冷却性能：一方面盐分解产物（如金属离子）破坏蒸汽膜，将LFP提升至800°C以上；另一方面水合盐吸热分解（焓值>1000 kJ/kg）与水的汽化潜热协同作用，形成"物理-化学"双效冷却。研究团队通过静态壁面实验、动态热生成模拟及真实TR电池测试三级验证体系，结合首创的一维传热传质模型，揭示盐沉积厚度与热阻的定量关系。

关键技术方法包括：1) 梯度浓度水合盐溶液(A-Dx系列)制备；2) 差示扫描量热法测定热分解焓；3) 高速摄影记录沸腾行为；4) 搭建电池模组燃烧平台验证灭火性能；5) 建立耦合沸腾传热与盐结晶/溶解的数学模型。

【Material properties】
热分析显示A-Dx材料在100°C附近发生吸热分解，与纯水水合物相当。尽管高浓度材料单位质量焓值降低，但单位体积热吸收能力因盐分增加而提升，这对有限容积灭火系统至关重要。

【Cooling performance】
静态实验中，A-D20使铜板冷却速率较纯水提升119.6%，膜态沸腾起始温度从280°C升至750°C。高速摄影显示盐沉积显著改善表面润湿性，接触角降低60%。

【TR battery tests】
在18650电池模组火灾中，该材料将安全温度维持时间延长42.5%，峰值回弹温度降低80.2°C。盐沉积层厚度与冷却效率呈非线性关系，20%浓度实现最优平衡。

【Model validation】
一维模型准确预测盐沉积对热阻的影响：当沉积层厚度<50μm时，热导率提升3倍；超过100μm后，过厚盐层反而增加热阻。

该研究突破传统灭火剂设计范式，首次将水合盐的动态沉积行为纳入传热模型，为LIB火灾提供兼具即时冷却与长效抑制的解决方案。理论层面，阐明了盐浓度-沉积厚度-热阻的构效关系；应用层面，20%浓度配方可直接集成于现有消防系统。未来研究可拓展至其他金属盐水合物体系，并探索沉积层对电池电极的防腐作用。这项工作为高能量密度储能系统的安全设计树立了新标杆。