陶瓷增强纳米复合水凝胶用于锂离子电池模块的热失控阻断与散热研究

为解决锂离子电池热失控传播问题，研究人员开发了一种多功能陶瓷增强纳米复合水凝胶，兼具热阻断与散热功能。通过实验与模拟结合，验证了该材料在高温下稳定性和热管理性能，为电池安全设计提供了新思路。

　　

随着可再生能源和电动汽车的快速发展，锂离子电池的安全性成为关键挑战。热失控（thermal runaway）是电池失效的主要风险，可能引发连锁反应导致火灾甚至爆炸。传统散热材料难以同时实现高效热阻断和散热，亟需开发新型多功能材料。

针对这一难题，研究人员设计了一种陶瓷增强纳米复合水凝胶（ceramic-reinforced nanocomposite hydrogel），通过独特的结构实现了热失控传播阻断与主动散热的双重功能。研究结合实验测试与数值模拟，系统分析了材料在高温条件下的性能表现。

研究采用的主要技术包括：1）纳米复合水凝胶的制备与表征；2）热传导与对流散热的数值模拟（基于OpenFOAM平台）；3）Lagrangian和Eulerian框架下的颗粒碰撞效率分析。

材料设计与性能
通过引入陶瓷纳米颗粒增强水凝胶基体，材料在高温下表现出优异的稳定性。热导率测试显示，陶瓷相显著提升了热扩散能力，而水凝胶相则通过相变吸热有效阻断热传递。

热管理机制
数值模拟结果表明，该材料能有效降低电池模块的热点温度。在热失控初期，水凝胶的相变吸热延缓了热量积累；随着温度升高，陶瓷网络形成的导热通路加速了热量扩散。

碰撞动力学分析
采用Lagrangian方法追踪纳米颗粒运动轨迹，发现Stefan流（由表面蒸发/氧化引起）对颗粒沉积效率有显著影响。通过建立修正的Smoluchowski碰撞核模型，量化了不同工况下的颗粒捕获效率。

结论与意义
该研究不仅提供了一种新型电池热管理材料的设计思路，还建立了完整的性能评价方法。材料的多功能特性使其在电动汽车、储能系统等领域具有广阔应用前景。研究提出的碰撞效率模型也为其他纳米颗粒系统的设计提供了理论参考。论文发表在能源领域知名期刊《Fuel》，为电池安全技术的创新发展提供了重要支撑。