随着锂离子电池在储能和动力领域的大规模应用，其热失控引发的连锁火灾事故已成为制约行业发展的关键安全问题。单体电池一旦发生热失控，可在短时间内释放大量热量，并通过热传导触发相邻电池，导致热失控在整个模组中快速蔓延，最终演变为严重的火灾或爆炸事故。在电池间设置隔热阻燃材料是目前最直接有效的物理隔离手段，但现有商业材料普遍存在导热系数偏高、耐高温冲击能力不足、质地脆硬等问题，难以同时兼顾隔热、阻燃和机械稳定性；因此，急需开发一种兼具高效隔热与快速自熄特性的轻薄型阻隔材料。

山东科技大学胡相明教授团队围绕改性BC纤维素气凝胶的制备及其抑制锂电池热失控传播的效果，开展了从材料合成到性能验证的系统研究（图1）。首先以细菌纤维素为基体，复配纳米羟基磷灰石和聚磷酸铵，经冷冻干燥制成不同配比的气凝胶，并对其微观形貌、力学性能、导热系数及官能团相互作用进行表征。阻燃性能通过垂直燃烧试验、热重分析和锥形量热仪测试进行评估。随后，将气凝胶以不同厚度置于18650电池模组中，通过加热触发首节电池热失控，监测各电池温度变化、气体释放及热释放速率，考察其对热失控传播的阻断效果。最后，利用COMSOL软件对280 Ah大容量磷酸铁锂电池组进行仿真，验证材料在工程场景下的隔热有效性。研究系统覆盖了材料性能测试、模组验证实验和数值模拟三个阶段。

图1 改性BC纤维素气凝胶抑制锂电池热失控传播效果示意图

2.1 材料设计

本文设计并制备了一种以BC纤维素气凝胶为基体，利用其低热导率和高孔隙率的结构优势，复配HAP作为骨架增强相，引入APP作为阻燃功能组分。通过调整两种改性剂的比例，获得综合性能最佳的BHA气凝胶。

2.2 表征与性能测试

表征与性能测试涵盖三个层面。材料物化性能方面，采用扫描电镜（SEM）观察微观孔洞结构，能谱分析验证元素分布，比表面积与孔径分析（BET）量化孔隙特征，激光导热仪（LFA）测量热导率，万能试验机进行拉伸和压缩测试，傅里叶红外光谱（FTIR）X射线衍射（XRD）分析官能团相互作用。阻燃与热稳定性方面，通过垂直燃烧试验记录自熄时间，热重（TG）分析考察热分解行为与残炭率，锥形量热仪（CONE）测定热释放速率（HRR）和点火时间并计算热响应参数。电池模组验证方面，将不同厚度的气凝胶置于18650电池之间，以加热棒触发首节热失控，通过热电偶采集各电池表面温度，同时监测气体浓度变化和热释放速率，试验后对幸存电池进行容量和电压检测。此外，基于实测导热系数，在COMSOL中建立280 Ah磷酸铁锂电池组的有限元模型，进行一维稳态传热仿真，评估材料在大容量工程场景下的隔热有效性。

3.1 BHA的形貌、结构表征

图2 QPEs的表征： (a) 气凝胶隔热材料的制备流程图，(b) BHA/3–7材料的力学性能，(c) BHA/3–7材料的扫描电子显微镜（SEM）图像， (d) BHA/3–7材料的横截面元素分布，(e) BHA/3–7材料的吸附-脱附等温线及孔径分布，(f) 不同配方的气凝胶隔热材料的热导率，(g) 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

该图从形貌、官能团、结晶结构和拉伸性能等方面证明了BHA气凝胶的成功构建。扫描电镜图像，呈现了材料内部三维连通的纳米纤维多孔网络，这种蜂窝状结构是低热导率的主要来源，通过氮气吸附-脱附等温线及孔径分布曲线计算得到BHA/3-7的比表面积为106.88 m²/g，平均孔径为26.03 nm，孔隙率高达93.5%，这些结构参数为其高效隔热提供了结构基础。厚度仅1 mm、重量仅0.127 g的样品可支撑498.6 g的铁块而不发生明显形变，BHA材料的最大拉伸应力为2.43 MPa，弹性模量为176.1 MPa，压缩应力-应变曲线显示：其压缩模量为0.254 MPa，伴有延伸至40%应变的较长弹性区。FTIR中1050 cm^-1附近的C-O-C吸收峰与HAP的PO₄^3-峰及APP的P-O-P峰发生重叠，1080 cm^-1处P-O-P特征峰及其红移，证实了聚磷酸盐链与HAP中Ca²⁺之间存在配位作用，形成了P-O-Ca键。

3.2 BHA阻燃和热稳定性评估

图3 (a) BC及其复合气凝胶隔热材料的燃烧行为，(b) BC、BHA/1–7、BHA/3–3 和 BHA/3–7 的 TG-DTG 曲线，(c) 热释放速率 (HRR)。

该图说明改性气凝胶热稳定性与阻燃性能的提升。a为垂直燃烧对比照片，纯BC持续燃烧直至耗尽，而改性样品均能在1～3秒内自熄；b的TG-DTG曲线显示改性材料分解起始温度从195.8°C推迟至235.9℃，BHA/3-7的残炭率高达71.9%；c的锥形量热曲线表明BHA/3-7的峰值热释放速率仅为8.60 kW/m²，较纯BC下降了73.4%，点火时间从9秒延长至36秒，热响应参数提高了3.48倍。

3.3 18650模组热失控传播实验

图4 (a) 用于TRP实验的锂离子电池（LIB）模块的组装；(b) 无屏障条件下热失控传播事件各阶段的快照； (c) 用于TRP阻隔实验（采用绝缘材料）的锂离子电池模块组装；(d) 带2 mm BHA热失控传播实验各阶段的快照；(e) 带1.5 mm BHA热失控传播实验各阶段的快照；(f) 带1 mm BHA热失控传播实验各阶段的快照。

该图展示18650模组热失控传播实验的过程。a为模组装配示意图，b至f依次为无隔热板、2 mm BHA、1.5 mm BHA、1 mm BHA四种工况下的关键阶段快照。无板工况下，热失控从1号电池逐级蔓延至全部7节电池；而2 mm BHA工况中，1号电池热失控后火焰随即熄灭，相邻电池未触发，1.5 mm和1 mm虽能阻断传播，但1 mm工况下2、3号电池的安全阀发生开启。

图5 各工况下每节电池的温度-时间曲线：(a) 无BHA的TRP实验温度曲线，(b) 2 mm BHA的TRP实验温度曲线，(c) 1.5 mm BHA的TRP实验温度曲线，(d) 1 mm BHA的TRP实验温度曲线

该图给出了各工况下每节电池表面的温度随时间变化曲线。a为无板工况：1号电池热失控后，2号电池表面温度迅速升至189.5℃后进入热失控，峰值超过700℃；3、4号紧随其后相继触发；第三梯队电池在热传播到达时表面温度已达178.9℃，随后也逐节触发。整体呈现出触发间隔逐渐缩短的加速传播特征。b为2 mm BHA工况：1号电池热失控时表面温度超过600℃，但相邻电池温度仅出现平缓上升，2号电池峰值温度约137℃，未达到触发阈值；第三梯队电池温度全程保持在67.4℃以下，且温度曲线在1号电池热失控结束后即趋于平稳。c为1.5 mm BHA工况：1号电池热失控后，2号电池温度升至约156℃后缓慢下降，未触发；3、4号电池的温度峰值明显低于2号。d为1 mm BHA工况：1号电池热失控后热流迅速冲击第二梯队，2号电池表面温度达到158.2℃，3号电池也接近该温度，两者的安全阀先后在1925秒附近开启，但温度未进一步跃升，之后随1号电池冷却而逐渐回落；第三梯队电池峰值温度约为107.7℃，高于另外两种厚度工况下的对应值。

图6 实验前后获得的XPS光谱：(a) 完整的XPS普查光谱，(b) C 1s光谱，(c) O 1s光谱，(d) N 1s光谱，(e) P 2p光谱，(f) Ca 2p光谱。

该图为XPS分析结果。C 1s谱中C-O键峰面积在实验后减小，表明高温下部分含氧基团分解。N 1s双峰合并为更宽单峰，说明APP中铵离子发生化学转化。P 2p和Ca 2p峰位峰形基本不变。除C-O部分分解和N峰形变化外，其余特征峰保持稳定，证明材料高温化学稳定性良好。

图7 (a) 电池热失控过程中的热传导，(b) 电池热失控过程中的传热功率，(c) 二级电池在热失控过程（TRP）中屏障材料的平均热通量，(d) 三级电池在热失控过程（TRP）中屏障材料的平均热通量。

该图为热传递定量分析。a为热传导路径示意。b统计各工况下电池接收热量：无板工况第二梯队接收22.47 kJ，第三梯队10.17 kJ；2 mm BHA使两梯队分别降至7.22 kJ和2.18 kJ；1.5 mm对应8.99 kJ和3.11 kJ；1 mm对应10.34 kJ和3.91 kJ。热传递功率方面，2 mm BHA使第二梯队从10.63 W降至2.28 W，降幅78.6%；1 mm降幅约50%。c和d显示通过隔热材料的热流密度，第二梯队峰值从1 mm的9.02×10³ W/m²降至2 mm的5.31×10³W/m²，第三梯队从1.39×10³降至0.67×10³ W/m²。热流密度的降低直接反映了增厚隔热材料有效增加了传热路径的热阻，这是阻断热失控传播的关键物理机制。

图8 (a) 电池热失控过程中氧消耗量的变化，(b) 放热速率曲线，(c) 一氧化碳释放量

该图汇总了热失控过程中的气体生成和热释放数据。a为氧气浓度变化曲线，各工况下均出现不同程度的氧浓度下降，其中无板工况氧消耗最为显著，积分得到氧气消耗总量为0.0202 m³。添加隔热材料后，氧消耗曲线波动幅度明显减小，且恢复速率加快。b为热释放速率曲线，无板工况下HRR在热失控传播过程中呈现多峰特征，峰值达到42.9 kW，且持续时间长达数百秒；2 mm BHA工况的HRR峰值仅为6.86 kW，1.5 mm为7.29 kW，1 mm为8.83 kW，均远低于无板工况，且各峰值对应的时间点与单节电池热失控的时刻一一对应。通过对HRR曲线积分得到总热释放量，无板工况远高于各加装隔热材料的工况，进一步证明隔热材料有效遏制了燃烧的蔓延和加剧。c为CO释放量曲线，无板工况下CO累积释放量为0.00655 m³，加装隔热材料后CO释放量显著降低。气体分析和热释放数据共同表明，BHA材料通过阻断热传递，不仅抑制了热失控在电池间的传播，还大幅减少了燃烧反应的剧烈程度和有害气体的生成量。

3.4 COMSOL仿真验证BHA材料在大容量工程场景下的适用性

图9 (a) 采用 2 mm-BHA 和无板配置的电池组示意图；(b) 第 2 号电芯随时间变化的温度曲线；(c) 采用 2 mm-BHA 的电池组温度云图；(d) 采用无板配置的电池组温度云图。

该图展示了BHA材料在大容量工程场景下的应用潜力。a展示了280 Ah磷酸铁锂电池组的三维几何模型，7节电池并列排布，2 mm BHA材料置于各电池之间。b为2号电池在热失控发生后15秒内的温度响应曲线：2 mm BHA工况下，2号电池温度从初始的20℃缓慢上升至峰值96.1℃，低于磷酸铁锂电池热失控的起始阈值；而无板工况下，2号电池在15秒内即被加热至272.6℃，远超触发温度。c和d分别为2 mm BHA和无板工况在15秒时刻的温度场云图。2 mm BHA工况中，1号电池周围的高温区域被严格限制在隔热材料以内，2号电池及更远处的电池体颜色保持低温蓝绿色，温度梯度在隔热材料界面处发生陡降；无板工况中，1号电池的热量迅速向整个电池组扩散，2号电池体的大部分区域已被加热至200℃以上，温度场呈现连续过渡的特征。仿真结果从数值层面证实，2 mm厚度BHA在大容量电池组中同样具备有效阻断热失控传播的能力，峰值温度较无板工况降低了约65%。

本研究创新性地将有机的BC材料进行阻燃改性，成功制备了兼具低导热性、高机械性能和高安全性的BHA阻燃气凝胶隔热材料。BHA气凝胶的热导率低至0.0206 W/(m·K)，孔隙率93.5%。改性后分解起始温度从195.8°C推迟至235.9℃，残炭率升至71.9%，峰值热释放速率下降73.4%，自熄时间缩短至1秒以内。在18650模组中，1 mm厚BHA可阻断热失控传播，2 mm厚度则使第三梯队电池温度全程低于67.4℃，热传递功率降低78.6%，幸存电池容量保持3.36 Ah。XPS分析证实材料在高温冲击后结构稳定。COMSOL仿真表明，在280 Ah LFP电池组中2 mm BHA将相邻电池峰值温度从272.6℃降至96.1℃，低于热失控阈值。该气凝胶在轻质薄型条件下兼具低热导率、高效阻燃和良好力学性能，具备工程应用前景。

成果简介 

上述研究成果发表在Chemical Engineering Journal 期刊上；

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