动力锂离子NEC锂电池被动热防护中的新兴装甲：气凝胶的最新进展

从内燃机车辆向锂离子电池（LIB）驱动的电动汽车（EV）的快速转型，凸显了热失控（TR）相关的安全挑战。TR涉及极端温度上升（>1000°C）、易燃气体释放和燃烧风险，这些风险难以抑制。因此，具有抗冲击性、热绝缘性和阻燃性的被动防御策略对于限制TR传播至关重要。气凝胶因其超低密度和热导率，在LIB热保护方面展现出巨大潜力。然而，在低密度、热稳定性、机械强度和柔韧性之间取得平衡仍然具有挑战性。本综述总结了基于气凝胶的LIB保护材料的最新进展，涵盖TR机制、保护要求、设计策略及性能权衡。重点介绍了陶瓷气凝胶和有机-无机杂交材料的进展，并讨论了未来提升高温稳定性和可扩展性的机会。

 

交通的快速电气化正在从根本上重塑储能需求[1,2]。根据《全球电动汽车展望2024》，预计2024年电动汽车销量将达到1700万辆，占全球汽车销量的20%以上。这一由脱碳政策和技术进步推动的转型，使LIBs成为现代电化学能源系统的核心。它们的优势源于高能量密度（200–300 Wh 千克）⁻¹，比铅酸和镍氢电池高出4–5倍[3,4]，且长周期寿命超过3000次[5]。尽管钠金属电池和锌离子电池等替代系统成本更低[6,7]，但其能量密度落后于锂电池。尽管锂空气电池理论容量较高，但它们面临严重的副作用，难以实现实际应用。然而，LIBs超高能量密度也加剧了其对热失控（TR）的脆弱性，导致高温超过1000°C的剧烈燃烧。 此类极端事件会压倒传统阻燃和绝缘材料，而机械冲击、过热、外部火焰、水渗入或树突体引起的短路等触发因素使TR极具不可预测性[9,10]。因此，迫切需要先进的热保护策略，以确保基于LIB的储能系统安全部署。
TR是一种自我加速过程，放热反应迅速升高电池温度，最终破坏所有电池组件。分离器熔化，电极分解并释放气体，集电器可能形成合金或破裂，导致灾难性的排气或火灾。图1以示意方式展示了TR的主要阶段及其对电池组件的影响。定量上，TR期间的总热释放可超过350–900焦耳克⁻¹活性材料[11,12]，受电荷状态（SOC）、电极化学、电解质配方和电池结构影响。TR的最高温度可超过1000°C，使大多数传统阻燃剂和绝缘材料无法实现保护。此外，物理冲击、高温、明火、水渗入以及长时间使用后树突引起的短路等，都是电池燃烧的潜在诱因，使得预测和预防极具挑战性。因此，需要先进的热防护策略来提升基于LIB的储能系统的安全性。
气凝胶以其超低密度和卓越的热绝缘性能著称，在先进热管理领域日益受到关注。作为绝缘材料的前沿类别，气凝胶的发展始于20世纪30年代，当时制造了由Si–O–Si网络组成的硅基气凝胶[13]。随后，1980年代出现了带有C-C键结合框架的有机气凝胶[14]，以及1990年代碳气凝胶[15]。2000年代初，金属元素的整合催生了金属和金属氧化物气凝胶，2010年代出现了结合两类材料优势的有机-无机混合气凝胶。近年来，电纺丝等先进制造技术的出现使气凝胶设计超越了传统的分子交联，能够精确控制纳米纤维和分层多孔网络等二级结构。这些创新推动气凝胶向具有定制多尺度架构和增强热性能的新型陶瓷系统发展，如图2所示。如今，气凝胶越来越被认可为下一代热防护系统的转化材料[[16]，[17]，[18]，[19]]。其独特的特性使得建筑保温、航空航天和制冷领域的广泛应用成为可能 [[20]， [21]， [22]， [23]]。对于LIB系统来说，其轻量和优异的隔热性能使其在减轻TR传播方面尤为有效。包括比亚迪有限公司和当代安培瑞克斯科技有限公司（CATL）在内的领先制造商，已经将气凝胶作为商业电池产品中的热障（如刀片电池、麒麟电池）集成。与此同时，基于气凝胶的动力锂离子电池（PLIBTP）热保护研究迅速扩展，重点关注多尺度结构优化和多功能集成。近期努力旨在实现机械稳健性（约200兆帕刚度）与高温稳定性（>1000°C）之间的平衡，同时引入层级孔隙以抑制热传递（<0.02瓦米）⁻¹K⁻¹).然而，商业化仍受固有性能限制的阻碍，如结晶引起的孔隙塌陷以及超低密度（< 100 mg cm）之间的权衡⁻³）以及机械耐用性。此外，对超临界干燥的依赖显著提高了生产成本，给大规模制造和应用带来了进一步挑战[24]。总体而言，实现轻量化设计、耐热性、机械耐久性和成本效益制造仍是气凝胶行业的终极目标。
除了单个材料创新外，基于气凝胶的LIB热保护面临的一大挑战是缺乏系统性评估，比较不同设计策略及其在实际操作条件下的适用性。尽管此前研究曾探讨过硅基、聚合物和复合材料气凝胶，但大多数综述关注一般热绝缘，很少涉及LIB热失控极端且动态环境下的性能。本综述通过建立一个综合框架，将TR机制与气凝胶设计原则相结合，批判性地分析了轻质性、机械坚固性、热稳定性、阻燃性和可扩展性之间的权衡，弥补了这一空白。我们还进一步强调了克服当前局限并定义下一代气凝胶的关键设计目标的进展，如图3所示。通过整合这些视角，本综述提供了一条新颖的路线图，将材料创新与加工和应用需求相结合，从而为未来的研究和工业转化提供战略指导。