【研究背景】
鋰離子電池作為電動汽車和儲能電站的核心儲能單元，其熱安全問題仍是重大挑戰。阻燃復合相變材料作為一種潛在的電池熱安全防護技術已被廣泛研究用于電池熱安全系統。復合相變材料通過相變過程中的潛熱吸收與釋放實現高效溫控，因其成本低、結構緊湊、沒有額外能量消耗和溫度控制穩定為電池熱管理系統的發展提供了新思路。盡管優勢顯著，這些材料在實際應用中仍面臨嚴峻挑戰：可燃相變材料在高溫或熱失控條件下可能會迅速液化并產生煙霧，加速熱失控傳播。而添加傳統阻燃劑又可能導致環境污染及劣化其熱性能。電池安全受限于現有材料的阻燃與熱管理協同能力，這推動了對具有優異導熱性的阻燃劑或阻燃基體的探索。盡管近年來阻燃CPCM技術取得顯著進展，但面向高能量密度電池的安全需求，仍需開發具有高效冷卻能力，還具備良好的阻燃防火能力的研究。
【工作簡介】
近日，廣東工業大學李新喜與河北工業大學饒中浩團隊等人系統綜述了含各類阻燃添加劑的CPCM及相應的電池熱失控安全防護系統，包括相變材料、阻燃劑、阻燃相變材料的制備方法和電池熱失控防護系統的設計。此外，還對從阻燃CPCM延緩鋰離子電池熱失控觸發時間到熱失控傳播的抑制技術進行了比較和討論。總結了將不同阻燃劑組合使用，實現阻燃復合相變材料氣相和冷凝相的協同效應。基于此提出研究采用阻燃骨架吸附相變材料以提升CPCM的阻燃性能，并且提出將被動阻燃CPCM與主動滅火系統結合的電池熱安全系統設計理念。該文章發表于《Energy Storage Materials》上，黃啟秋為本文第一作者。
【內容表述】
為了構建高安全性的電池熱管理系統，阻燃復合相變材料的設計尤為關鍵。其不僅需要滿足高效的熱管理需求如高儲能密度和高導熱性，同時還需具備優異的阻燃性能以抑制熱失控引發的火災風險。本文總結了阻燃CPCM體系基于氮-磷協同阻燃劑（如APP/MCA）與高導熱骨架（如石墨烯、BN）的復合設計。選擇氮-磷系阻燃劑的原因在于其兼具氣相產生惰性氣體和凝聚相促進致密炭層形成阻隔氧氣的雙重機制，從而在燃燒過程中實現“氣-固協同”阻燃效果。
圖1. (a)PAUCG和EPS-PAUCG復合材料的制備工藝圖 （b）殘炭的EDS圖譜和各元素含量圖
此外，通過聚合物封裝技術可解決阻燃劑隨相變遷移問題，確保材料的長效穩定性。最終，這種多組分協同設計實現了CPCM在阻燃等級（UL-94 V0）、熱性能和循環穩定性的綜合優化，為電池熱安全系統提供了可靠的解決方案。
圖2. (a)PCM的溫度響應特性和顯示復合材料PCMTEP@SiO2微膠囊中阻燃劑的溫度調節釋放的示意圖（b）顯示PP隔板和被電解質潤濕的PCM-TEP@SiO2/PP隔板的可燃性的數碼照片
本文通過橫向對比其他文獻研究，從材料分類到機理分析再到性能驗證最后到應用創新提出構建兼具高阻燃性、高熱導率和穩定相變性能的CPCM的目標。對于阻燃劑分析了氮-磷協同阻燃劑的氣相和凝聚相雙重阻燃機理。并且分析高導熱骨架提升導熱能力并增強炭層穩定性。通過SEM和TEM表征來觀察材料微觀形貌，驗證阻燃劑和導熱填料的均勻分散性。通過測量熱釋放速率（HRR）、總熱釋放量（THR）表征對比不同阻燃體系的性能，證明協同阻燃效果。通過DSC、熱導率測試和熱循環測試表征證明阻燃劑的引入未顯著犧牲CPCM的核心熱管理功能。通過可視化電池模組溫度分布和熱失控傳播測試表征CPCM可同時實現熱管理和阻燃與隔熱的雙重目標。
圖3. (a)熱失控實驗設置平臺示意圖 （b）熱失控過程和殘留物，（c）電池的火焰高度，（d）電池5 cm處的火焰溫度（Tf 1） （e）電池15 cm處的火焰溫度（Tf 2） （f）具有CPCM的電池的熱失控燃燒過程 （g）不具有CPCM的電池的溫度，（h）具有CPCM的電池的溫度
核心結論
本文綜述總結了含各類阻燃添加劑的CPCM及相應的電池熱失控安全防護系統，包括相變材料、阻燃劑、阻燃相變材料的制備方法和電池熱失控防護系統的設計，同時也為提升現有材料性能提供了一系列創新策略。PCM通常具有較大的預熱范圍和較小的相變溫度區間。其熔融時儲存熱能，在需要放熱時凝固釋放熱量，在汽車動力電池的使用溫度范圍內不易變質，非常適合應用于電池熱管理系統。將不同阻燃劑組合使用，實現氣相和冷凝相的協同效應，有助于形成穩定的炭層，提供隔熱和隔氧作用，從而提升復合材料的安全性。然而，氣相阻燃和固相阻燃之間存在對立的平衡，因為氣相阻燃過程中氣體產生的壓力過大易破壞固相阻燃的炭層。并且當前基于阻燃相變材料的BTMS缺乏主動滅火能力。通過本綜述對阻燃CPCM基于BTSS的材料設計與系統可靠性的研究，能為熱安全問題方面提供新視角。
圖4. 本綜述總結及前景
【文獻詳情】
Qiqiu Huang, Xinxi Li, Jian Deng, Wensheng Yang, Yueyu Zeng, Zhonghao Rao, Fulin Kong, Yongliang Li, The flame retardant mechanism of composite phase change materials for battery thermal safety: A review, Energy Storage Materials, Volume 80, 2025, 104344, ISSN 2405-8297,
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104344.
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