一种结合被动隔热与主动放电的协同策略，用于抑制锂离子电池中的热失控蔓延

《Process Safety and Environmental Protection》：A synergistic strategy combining passive insulation and active discharge for mitigating thermal runaway propagation in lithium-ion batteries

　　摘要：锂离子电池中的热失控蔓延是阻碍其大规模安全应用的关键瓶颈。大多数研究仅将被动绝缘和主动放电作为独立的抑制策略，忽视了这两种方法之间的潜在协同效应。本研究利用多维度信号实验平台，系统研究了气凝胶绝缘层厚度与放电速率共同作用下的热失控行为及其抑制机制。实验结果表明，主动放电与被动绝缘能够同时降低热源强度和热传递路径。具体而言，在1.3毫米的绝缘层厚度下，将放电速率从0C提升至2C可使峰值热流减少20.0%；而在无放电条件下，将绝缘层厚度从1.3毫米增至2.1毫米则可使峰值热流降低32.6%。此外，主动放电与被动绝缘在抑制热失控方面的协同效应并非简单的线性叠加。与无绝缘或无放电的基准条件相比，单独采用2C放电可使电池阀体泄压、内部短路以及相邻电池间发生热失控的时间分别延长89秒、323秒和88秒；单独使用1.3毫米的绝缘层则可使这些时间分别延长305秒、391秒和369秒。值得注意的是，当2C放电与1.3毫米绝缘层结合使用时，可完全避免第2号电池的阀体泄压、内部短路及热失控现象。同时，通过提高放电速率实现的抑制效果还能通过加厚绝缘层进一步提升。最终，研究基于绝缘层厚度和放电速率构建了热失控安全边界图，清晰划分了危险区域与安全区域，为电池模块的安全屏障设计及动态风险管理提供了参数匹配依据。

引言：由于具有高能量密度和长循环寿命，锂离子电池已成为电动汽车及电网级储能系统中最主要的储能技术，因此在全球向清洁低碳能源系统转型的过程中发挥着不可或缺的作用。然而，随着电池能量密度的不断提升以及系统集成规模的扩大，其内在的热安全问题也日益突出。其中，热失控及其蔓延属于典型的多米诺效应，会威胁到人员安全和财产安全。热失控是指电池在遭受滥用条件下出现的自我加速热失效状态，其特征是电池内部会发生不可逆的链式放热副反应，导致温度急剧上升，并伴随有毒气体释放、燃烧甚至爆炸。一旦电池单元开始出现热失控，产生的大量热量会通过传导、辐射和对流迅速传递到相邻电池单元，从而引发连锁的热失控事件，这类蔓延可能在数秒到数分钟内导致整个电池组或系统发生灾难性故障。这种蔓延不仅会加剧事故严重程度并扩大破坏范围，还会极大增加灭火和应急处理的难度。因此，开发有效的策略来抑制或阻断热失控蔓延，对于提升锂离子电池系统的过程安全性及动态风险管理能力，推动其大规模安全应用具有重要意义。

目前，热绝缘是最常用的被动抑制热失控蔓延的策略。其基本原理是在相邻电池单元之间插入低热导率材料形成热屏障，从而提高整体热阻，延缓热量传递，为系统安全干预争取关键时间。气凝胶因其低热导率和优异的高温稳定性，成为最典型的热屏障材料。有研究表明，单层硅气凝胶不足以防止热失控蔓延，而多层相同材料的组合则能有效抑制热失控的蔓延。另有研究显示，增加气凝胶绝缘层的厚度可显著延缓甚至完全避免大型电池模块的热失控现象。为进一步提升热绝缘性能，人们还致力于开发复合材料和改性材料。有些研究者制备了含有聚磷酸铵的聚酰亚胺复合气凝胶，该材料兼具热绝缘和阻燃功能，能有效延长电池单元间的热失控时间。还有研究开发出硅气凝胶复合材料，这类材料不仅具有优异的高温稳定性，还能在高温工作条件下有效抑制热失控。另有研究者提出将阻燃气凝胶纤维毡与自熄相变材料相结合，利用两者的协同效应增强对热传递路径的阻断作用。除了材料创新外，绝缘层结构设计及系统集成策略也受到了广泛关注。有研究发现，热绝缘与液冷相结合能产生协同效应，这种集成策略能更有效地延缓热失控，为模块化热安全设计提供了新思路。此外，深入理解热绝缘材料的关键热物理性质同样至关重要。通过参数敏感性分析，有研究者指出，提高比热容和设计各向异性的热导率是优化抑制效率的有效方向。还有研究通过实验比较了不同绝缘层的防护效果，为工程材料的选择与配置提供了直接参考。总体而言，现有研究主要集中在从普通气凝胶到多功能复合材料的物理屏障构建与优化上，也从单一的热绝缘处理发展为协同的系统设计。但这类技术手段本质上只是被动地延缓热量传递，而非主动消散热量，其抑制效果在很大程度上取决于绝缘层的厚度。增加绝缘层厚度会直接降低电池模块的体积能量密度，进而提高系统成本。因此，单纯依赖被动绝缘必然会在安全性与能量密度之间面临权衡。

与通过阻断外部热传递路径实现被动抑制热失控的不同，主动放电作为一种主动抑制策略也受到了广泛关注。其核心原理是通过快速降低单个电池单元或整个系统的充电状态或能量状态，从能量源头进行干预。这一操作可减少热失控链式反应时可释放的总能量，提高包括阀体泄压、内部短路以及热失控启动在内的各种故障事件的温度阈值，从而抑制或阻止热失控蔓延。有研究从热失控孕育过程的角度阐明了放电操作的作用机制，指出剩余充电状态是决定热失控启动温度的关键因素。另有研究进一步发现，较高的充放电速率会降低活化能并削弱电极结构稳定性，这说明所采用的放电速率直接决定了其安全效益。实验研究表明，随着放电速率的提高，电池热失控的严重程度，包括喷射火焰的强度，都会显著降低，热失控蔓延也会被有效延缓。还有研究通过降低特定位置电池单元的充电状态，在电池模块内形成非均匀的充电状态分布，从而显著延长热失控蔓延到这些电池单元所需的时间。另有研究揭示了放电过程中热量产生与充电状态降低之间的权衡关系，证明充电状态降低的作用更为显著，且放电能有效防止热失控。通过高速放电实验，还有研究者进一步证实，该策略能够有效延缓电池故障时典型事件的发生时间，拓宽防止热失控的安全时间窗口。尽管主动放电策略能够在能量源头进行干预，但放电过程本身不可避免地会产生热量，也无法消除那些已经发生热失控的电池单元所释放的强烈热量。因此，将被动绝缘的阻热传导路径能力与主动放电的降低能量源头效应相结合，构建协同的安全屏障系统，是有效抑制甚至阻断热失控蔓延的一条极具前景的关键技术路径。

尽管被动绝缘和主动放电各自都具有优势，但两者之间的协同抑制机制至今仍不明确。现有研究大多侧重于评估这两种方法的单独效果，缺乏对其共同作用下的热失控特征、动态热流演变以及抑制效果的定量分析。更关键的是，如何协同优化系统参数，尤其是绝缘层厚度和放电速率，以有效抑制热失控蔓延，目前尚无明确的设计标准，这阻碍了这些综合安全策略的实际应用。为解决这些问题，本研究利用针对锂离子电池热失控的多维度信号实验平台，系统研究了气凝胶绝缘层厚度与主动放电速率共同变化条件下的热失控行为。研究揭示了被动绝缘与主动放电作为协同安全屏障系统抑制热失控的底层机制，同时建立了考虑热电协同效应的电池模块参数匹配标准，使得在实际运行中可以灵活调整绝缘层厚度和放电速率，以实现安全与性能的平衡。本研究的主要贡献如下：（1）揭示了在被动绝缘与主动放电协同作用下，热失控过程中多维度信号的分阶段演变规律。研究表明，主动放电能够延缓热失控典型事件的起始时间，而被动热绝缘虽然能阻断热传递，但同时会加剧发生热失控的电池单元内的热量积累，这为理解协同干预下的热行为动态演变提供了系统性见解。（2）通过定量分析电池单元间的热流，从热源强度和热传递路径两个维度揭示了二者协同调控的机制。研究发现，二者的协同作用能够同时降低峰值热流和平均热流。（3）阐明了主动放电与被动绝缘协同作用下的热失控中断机制，指出其作用机制是从量变到质变的转变。二者的协同作用并非简单的线性叠加，而是通过能量衰减和热阻增强的协同效应，使热失控从延长典型事件间隔转变为完全中断。（4）基于绝缘层厚度和放电速率这两个参数构建了热失控安全边界图，清晰划分了危险区域与安全区域，同时还确定了四个设计领域及其相应的优化路径，为电池模块的安全屏障设计及动态风险管理提供了明确的参数匹配依据。在第二阶段，这些细胞的SOE值仍然处于较高水平，同时热量传递也会受到影响。结论：本研究利用多维度信号实验平台，系统研究了在被动绝缘和主动放电共同作用下的锂离子电池模块中TRP的变化情况。阐明了这两种策略的协同抑制机制，并制定了多层屏障设计的参数匹配标准。这些研究结果为设计更安全的电池系统以及降低火灾风险提供了定量依据。作者贡献说明：龙行宇：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析、数据整理；刘鹏：撰写——审阅与编辑、可视化、资源管理、项目管理、方法论、研究调查、数据整理、概念构建；胡林：撰写——审阅与编辑、资金获取；葛佳怡：撰写——审阅与编辑、数据整理；曹涛：撰写——审阅与编辑、可视化、数据整理；吴刚：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。利益冲突声明：作者们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。致谢：本研究得到了长沙市自然科学基金（项目编号kq2502201）、湖南省杰出青年自然科学基金（项目编号2023JJ10043）、湖南省创新研究群体项目（项目编号2025JJ10006）以及湖南省高等学校科技创新团队项目（项目编号2023CT02）的支持。刘鹏|龙行宇|曹涛|葛佳怡|朱文浩|吴刚|胡林