《Future Batteries》：A brief review on phase change materials for battery thermal management and thermal runaway suppression: From material compositions to system applications
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锂离子电池（LIBs）作为电动汽车和储能系统的核心能量载体，其性能与安全性高度依赖于温度控制。传统热管理系统及热失控（TR）抑制机制在散热效率与能耗之间面临平衡挑战，而基于相变材料（PCMs）的被动式热管理技术因其高潜热储存容量和零能耗运行的优势而成为研究热点
锂离子电池（LIBs）作为电动汽车和储能系统的核心能量载体，其性能与安全性高度依赖于温度控制。传统热管理系统及热失控（TR）抑制机制在散热效率与能耗之间面临平衡挑战，而基于相变材料（PCMs）的被动式热管理技术因其高潜热储存容量和零能耗运行的优势而成为研究热点。然而，纯相变材料存在导热系数低、相分离及泄漏等问题，严重限制了其应用。为此，通过引入导热增强剂、结构支撑材料及封装技术，研究人员开发了复合相变材料（Composite PCMs），显著改善了导热系数、形状稳定性和可靠性。此外，混合系统集成策略涵盖PCM-空气、PCM-液体及热管-PCM系统，这些构型通过协同效应实现热缓冲与主动冷却的有机结合，在高功率运行条件下提供了更优的温度控制性能和TR抑制能力。本综述对基于PCM的电池热管理进行了全面而批判性的概述，特别关注阻燃型和膨胀型复合PCM的最新进展，这些材料不仅在正常运行期间保持优异的温度均匀性，还能在滥用条件下主动阻止电池组中的热失控传播。重点涵盖材料层面的阻燃设计策略和混合系统集成。本综述将材料增强策略与混合热管理性能相联系，并区分了常规温度调节与热失控缓解的滥用特定证据，从而为评估基于PCM的电池热管理技术提供了综合框架。
**论文解读：相变材料用于电池热管理与热失控抑制——从材料组成到系统应用**
**一、研究背景与问题**
锂离子电池（LIBs）凭借高能量密度、长循环寿命和低自放电率，已成为电动汽车（EVs）和电网级储能系统的主导储能方案。然而，其性能、安全性和寿命对温度波动高度敏感。高温会加速电池老化、降低容量，并增加热失控（TR）风险——这是一种涉及失控产热、气体释放及潜在火灾或爆炸的灾难性事件；低温则导致锂枝晶形成、功率输出降低和不可逆容量损失。LIBs在45℃以上运行可能导致循环寿命缩短50%，而低于-20℃时放电容量可减半。因此，电池热管理系统（BTMS）需将LIBs维持在15–35℃的最佳温度范围内。传统的热管理方式和TR抑制机制在散热效率与能耗之间难以平衡，而基于相变材料（PCMs）的被动热管理技术凭借高潜热储存能力和零能耗运行优势成为研究热点。然而，纯PCMs存在导热系数低、相分离和液态泄漏等固有缺陷。导热系数低导致电池与PCM间传热缓慢，造成熔化不充分和冷却效率下降；相分离使共晶PCM组分在循环中分离，降低潜热容量；熔化时泄漏可能引发电气短路和材料退化。此外，PCM有限的热储存容量使其在极端条件下难以独立管理热量。为此，研究人员围绕复合PCM设计和混合系统集成两个方向开展了系统研究。
**二、研究内容与主要结论**
本研究以PCM基电池热管理为核心，将材料设计、混合系统集成和TR证据置于统一讨论框架内，并区分常规温度调节与滥用条件下TR及TR传播缓解的特定证据。核心结论是：有效的PCM基电池热管理需要潜热储存、热扩散、形状稳定性和PCM再生的协调设计，不存在普遍适用的单一PCM配方或混合冷却构型。PCM材料选择需综合考虑运行温度、工作循环、材料相容性、电绝缘性和安全要求，而非仅关注熔点或潜热。复合增强虽普遍提升导热系数，但常伴随潜热降低和材料复杂性增加，配方设计应在热扩散和热储存能力间取得平衡。在系统层面，PCM-空气、PCM-液体和热管-PCM混合系统各具适用场景：PCM-空气系统结构简单、能耗低，但持续高热负荷下效果有限；PCM-液体系统散热能力强且可控性好，适合快充和高功率运行，但需泵、密封件和冷却回路增加系统复杂度；热管-PCM系统提供紧凑的被动热扩散，但性能依赖热接触、取向和冷凝侧散热条件。
**三、主要技术方法**
研究人员采用结构化文献调研方法，通过Web of Science、Scopus、ScienceDirect、SpringerLink和Google Scholar检索相关文献，检索词涵盖"相变材料"、"复合相变材料"、"纳米增强相变材料"、"电池热管理"、"锂离子电池"、"热失控"、"热失控传播"、"阻燃相变材料"、"定型相变材料"、"PCM-空气冷却"、"PCM-液体冷却"和"热管-PCM混合系统"等关键词组合。文献筛选依据与PCM材料设计、电池温度调节、混合热管理和电池安全的相关性，优先纳入近期同行评审研究，并保留建立基础机理的经典文献。由于各研究在电池规格、环境与运行条件、充放电倍率、PCM含量和评估方法上差异显著，不适用直接定量荟萃分析，故采用比较性和面向设计的方法进行证据综合，将材料层面特性与电池及系统层面指标相关联。
**四、研究结果**
**1. PCM类型与性质**
研究归纳了PCM的六个关键性能参数：熔化温度需与电池最佳运行温度范围匹配（30–40℃的PCM对LIBs最为理想）；潜热决定热储存容量（有机PCM潜热通常为150–200 J/g，无机盐水合物可超过250 J/g）；导热系数是PCM的主要限制因素（纯石蜡仅0.2 W·m?1·K?1）；形状稳定性与防泄漏性要求PCM在相变期间保持形态稳定；化学稳定性需避免与电池组件反应；成本与环境影响对大规模应用至关重要。PCM分为有机、无机和共晶三类，各自的优缺点决定其适用场景。表1显示，复合增强总体改善导热系数，但可能伴随潜热降低、材料复杂性增加或额外质量增加。
**2. 复合PCM设计与热失控缓解**
复合PCM通过引入导热增强剂（碳基材料、金属添加剂、混合添加剂）、结构增强材料和封装技术提升性能。碳基材料如膨胀石墨（EG）在12 wt%添加量下将石蜡导热系数提升至1.22 W·m?1·K?1，仿蜘蛛网石墨骨架在2.25 vol%负载下实现27 W·m?1·K?1的导热系数，较纯石蜡提升1260%。金属添加剂如铜泡沫使石蜡导热系数提高5–10倍，表面改性氮化铝（AlN）纳米颗粒提升导热系数300–500%。将阻燃添加剂如聚磷酸铵（APP）嵌入复合PCM，可在形成保护炭层的同时增强导热性，PEG基复合PCM配合APP和壳聚糖获得UL-94 V-0等级。形状稳定化策略包括微胶囊化和宏胶囊化封装、聚合物基体共混及互穿网络结构，如TPEE-SBS/EG/PA复合PCM在100次热循环后泄漏率低于0.1%。研究指出，纳米增强PCM面临颗粒团聚、沉降、界面热阻和相容性等技术挑战；阻燃PCM在热失控传播中的定量安全评估应报告TR触发方式、荷电状态、传播延迟时间和相邻电池峰值温度等指标。
**3. 混合PCM热管理与热失控抑制系统**
**PCM-空气混合系统**：集成PCM潜热储存与空气对流冷却优势，典型结构为"PCM封装+空气通道"。嵌入式翅片铝壳结构中，PCM吸收电池热量使平均表面温度降低21%、最大温差降低36.7%；石蜡-铝泡沫复合PCM配合2 m/s强制气流在5C高倍率放电下将电池最高温度控制在308 K，温差仅2.0 K。非均匀PCM厚度分布可将最大温差降至1.1℃并减少68.3%的PCM质量。该系统的性能受环境温度、气流分布、风扇功率和通道压损制约。
**PCM-液体混合系统**：典型构型为"电池单体+复合PCM+液冷板"。蜂窝-PCM混合系统在40℃环境温度和3C放电条件下将电池最高温度控制在45.71℃、最大温差4.4℃；铝翅片嵌入复合PCM耦合液冷板在0.06 m/s冷却液流速下实现最高温度42.09℃、温差1.92℃。协同效应表现为PCM作为热缓冲层吸收瞬时峰值热，液冷系统快速耗散PCM显热促进固相再生。响应面法（RSM）优化确定最佳参数构型为PCM厚度5.58 mm、流速0.4 m/s、通道横截面积3.35 mm2。在TR抑制方面，EG-PCM复合层将失控电池峰值温度从900℃降至600℃，液冷板将相邻电池维持在80℃以下。
**热管-PCM混合系统**：集成热管高效传热与PCM潜热储存，典型配置包括圆柱热管、平板热管（FHP）和脉动热管。三铜-水热管系统在16 W功率输入和2 m/s气流速度下将电池温度降低14%，温度波动减少50%。OM48 PCM配合热管用于3S4P电池模块，在1.5C放电循环中保持电池最高温度低于45℃、相邻电池温差低于5℃。三角翅片嵌入PCM耦合平板热管在3C放电下将电池最高温度降低21.1%，温差维持在1.8℃以下。正交设计优化表明热管数量对温度均匀性影响最大，冷却液温度对最高温度影响最为显著。在TR抑制方面，该系统将TR电池峰值温度从800℃降至500℃，相邻电池保持在80℃以下。
**五、讨论与结论**
PCM基电池热管理策略应从材料设计和系统集成两个层面综合评估。材料层面需在热扩散增强和热储存容量间取得平衡，同时考虑阻燃性、电绝缘性和循环稳定性；系统层面需根据电池热负荷、运行时长、环境温度、可用辅助功率和封装约束选择适宜的混合冷却构型。未来研究应优先关注三个方向：标准化的材料与模组级评估方法、平衡热性能与安全性及耐久性的多功能复合PCM、以及面向自适应冷却和热失控保护的智能系统集成。智能化PCM和复合PCM可集成温度响应结构、可切换热传导路径或嵌入式传感功能；增材制造可实现梯度导电网络和保形PCM结构；自修复复合材料有望修复反复熔化-凝固循环产生的裂纹和界面脱粘。在系统层面，AI辅助电池热管理可结合电池温度、电流、荷电状态、健康状态和环境条件，通过降阶模型或数字孪生预测产热并协调PCM缓冲与主动冷却。对于热失控预防，PCM应纳入涉及预警传感器、热屏障、可控排气、主动冷却和灭火措施的多层安全架构，而非作为独立解决方案。安全研究应明确区分延迟TR发生、降低相邻电池热暴露、延长TR传播时间和完全阻止传播，所有结论需由明确定义的滥用测试支持。
