Nano-Micro Letters（中国科学技术大学）：基于双网络气凝胶的航空动力锂电池热安全管理系统

文献信息

近日，中国科学技术大学张和平研究员、潘月磊副教授团队在航空动力锂电池热安全管理系统设计领域取得新进展，相关成果发表于《Nano-Micro Letters》，论文题目为《Dual-Network Aerogel-Based Thermal-Safety Management System Design for Electric-Aircraft Battery Packs: Efficient Heat Management and Runaway Protection》。（基于双网络气凝胶的电动航空动力锂电池热安全管理系统设计：高效热管理与热失控防护）。

重点

实验中，BTSMS在四次1C充放电循环下将最高温度和最大温差分别控制在34.9 °C和1.8 °C，相较空白组峰值温度降低46.5%，相较单独冷板组温度不均匀性降低56.1%；优化冷板温度与冷却液流量后，3C高倍率工况下峰值温度仍可控制在约45 °C。更重要的是，在全尺寸航空环境模拟舱的三电芯受限空间热失控实验中，BTSMS成功阻断热失控传播，并将触发电芯峰值温度由空白组的914.6 °C降低至684.1 °C，重复实验中仍能实现传播阻断。该工作通过材料结构设计与主动冷却系统的协同，实现了正常工况热管理与极端热失控防护的一体化，为高能量密度电动航空电池包在受限空间中的轻量化、高效散热及热失控传播抑制提供了新的设计思路。

图解

图1. CA&SAAS的设计策略。a CA&SAAS的制备过程；b CA&SAAS的微观双网络结构、带层厚标注的截面SEM图像及相应的C元素分布；c BTSMS在电动航空电池包等受限空间中的应用概念示意图

图2. CA&SAAS的结构与化学组成表征。a CA&SAAS的XPS全谱；b C 1s高分辨XPS谱；c Si 2p高分辨XPS谱；d O 1s高分辨XPS谱；e气凝胶、SAAS和CA&SAAS的XRD图谱；f气凝胶、SAAS、CA&SAAS、CA及莫来石纤维的FTIR光谱

图3. CA&SAAS的力学性能。a CA&SAAS经1000次加载–卸载疲劳循环的应力–时间曲线；b 最大应力与高度保持率；c 弹性模量与能量损失系数；d 30–400 °C范围内储能模量、损耗模量及阻尼比随温度的变化；e–g CA&SAAS在30、150和300 °C下、角频率0.1–100 rad·s-1范围内的储能模量、损耗模量及阻尼比

图4 CA&SAAS的高温耐受与隔热性能。a TG曲线；b 经800–1200 °C热处理2 h后的XRD图谱；c 热板加热过程中不同测点的温升变化；d丁烷喷枪火焰作用过程中采用红外热成像监测材料背面温升的示意图；e背面温升曲线；f CA&SAAS加热过程中的背面红外热像；g SAAS在25–1000 °C范围内压缩循环前后的导热系数；h SAAS 室温导热系数与此前报道的兼具散热功能的气凝胶隔热片在环境温度25 °C下的导热系数对比；i CA&SAAS的隔热机理示意图。

图5 BTSMS的热管理性能。a全尺寸航空环境模拟舱实物图及尺寸；b 电池包布置示意图；c空白组（Blank）、d CP组、e CA&SAAS组及f BTSMS组的温度演化曲线；g 最高温度；h最大温差；i 2C倍率下的温升曲线；j 2C充放电条件下实验结果与模拟结果对比；k 3C倍率下的温升曲线

图6 BTSMS的热安全性能测试。a三组对照实验的典型实验现象；b 空白组、c CP组及d CA&SAAS组的热失控温度演化曲线；e BTSMS组的热失控温度演化曲线；f BTSMS条件下锂离子电池的热失控行为；g BTSMS的重复热失控阻断实验。

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