科学网—中石大(北京)邱水来团队：梯度叠层陶瓷化硅泡沫实现本征安全锂电储能
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2026-6-16 10:03
| 系统分类: 论文交流
Constructing Intrinsically Safe Lithium-Ion Battery Energy Storage via Gradient-Laminated Ceramifiable Silicone Foams
Shuilai Qiu, Jingyao Xu, Congling Shi*, Laibin Zhang
Nano-Micro Letters (2026)18: 384
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02228-2
本文亮点
1. 刚柔并济，打破硬伤：展示了一种梯度层状结构设计策略，通过将柔性可瓷化聚硅氧烷泡沫矩阵与强韧的玻纤织物骨架原位集成，完美破解了传统热绝缘材料“隔热”与“抗冲击韧性”不可兼得的本征矛盾。
2. 千回百转，历久弥坚：该复合材料展现出极为优异的耐疲劳性能与宽温域弹性稳定(−40 °C至300 °C)，在经历1000次循环压缩后仍能保持93%的残余应力，能完美缓冲电池在使用过程中的反复膨胀与机械振动。
3. 百炼成瓷，一网打尽：在面临极端火灾和热失控时，多尺度填料发生协同瓷化反应，瞬间构筑起一层致密的陶瓷壁垒，不仅能抵御高压喷射气流的猛烈冲击，更将锂电池模组的热失控完美阻断在单个电芯内，实现本征安全。
研究背景
随着清洁能源的飞速发展，锂离子电池(LIBs)已成为储能系统和电动汽车的心脏。然而，随着电池能量密度的攀升，热失控(TR)引发的安全事故成为了悬在储能行业头顶的“ 达摩克利斯之剑 ”。电池发生热失控是一个极为复杂的物理化学耦合过程：在极端阶段，电芯会瞬间喷射出温度高达800-1200 °C、流速超200 m/s的高压剧烈气流。这种高焓射流不仅通过热辐射和对流迅速“点燃”相邻电池，其带来的巨大动力学冲击波还会直接破坏模组结构，导致灾难性的热失控蔓延(TRP)。长期以来，行业主要依赖被动隔热材料来阻隔热量。然而， 聚氨酯 (PU)或聚苯乙烯(PS)等常规有机泡沫在300 °C以上就会迅速降解塌陷并释放可燃气；而气凝胶虽然静态隔热优异，却因其本质脆性，在面对高压喷射气流和常年机械振动时极易碎裂喷粉、 perforated(穿孔)失效。如何在实际大储能场景下，同步攻克材料“极端热防护”与“动态抗喷射冲击”的双重顽疾，是实现储能系统本征安全的关键科学瓶颈。
内容简介
针对锂电池储能系统中，热失控高压喷射气流与剧烈热辐射相互交织、传统隔热材料顾此失彼的硬伤， 中国石油大学(北京)邱水来教授 ，跳出以往单一种类材料优化的固有框架，提出了一种梯度层状构筑的可瓷化硅橡胶泡沫复合材料。巧妙地利用反应化学发泡技术，将柔顺耐热的聚硅氧烷(PDMS)泡沫紧密包裹在经硅烷偶联剂修饰的玻璃纤维织物(GFF)骨架的空隙中，并引入多尺度协同瓷化填料。这一结构犹如为电池之间穿上了一件“防弹隔热衣”，巧妙地上演了一场安全防护的“二重奏”：
在物理结构侧(柔与韧)，材料具备极佳的弹性恢复力与 tensile 强韧度，在日常服役中可轻松承受电池膨胀与剧烈振动，且仅有3 mm的超薄厚度，不占用宝贵的储能空间。在化学防护侧(百炼成瓷)，面对极端热失控喷射时，内部填料迅速发生高温液相烧结，将材料主动转化为一层坚硬致密的陶瓷挡板，配合高机械强度的玻纤织物骨架，牢牢挡住高压喷射气流与高温火焰的穿透。
该策略无需复杂的加工工艺，具有极高的工业连续化生产可行性，为构建高能量密度、本征安全的下一代储能电站提供了全新的破局思路。
图文导读
I 结构重塑与微观筑基：原位化学桥接的层状架构
研究团队通过 Pt 催化的脱氢凝聚与氢硅化双重反应机制，成功构建了高密闭孔隙率的 PDMS 泡沫基体。如图1和图2所示，SEM 高清成像显示该发泡体系展现出35至100 μm 的均一(闭孔)微观结构。更为关键的是，经过 KH550 偶联剂改性的 GFF 骨架表面通过共价键(Si–O–Si)与聚硅氧烷矩阵形成了完美的界面化学桥接，PDMS progressive 渗透入玻纤织物的经纬交织空隙中，无任何脱层或空隙缺陷。这种高内聚力的梯度层状设计，为材料赋予了极致的宏观柔韧性，即使历经扭曲、任意拉伸、大角度弯曲也能瞬间恢复原状。
图1. 复合材料的构筑策略、化学反应机理及在储能电站中的应用场景 。
图 2. 复合材料的微观形貌表征以及宏观极端柔韧性展示 。
II 机械耐久与稳健隔热：跨温域弹性与极致热阻
在储能系统的全生命周期中，材料需长期耐受环境变化与机械疲劳。研究团队对复合材料进行了深入的Compresive耐受性评估。 stress-strain 曲线表明，即使在高达 85% 的极端变形下，材料也能完全实现形状复原。在经历 1000 次室温大循环压缩疲劳后，材料保留了高达 93% 的残余应力，远超传统气凝胶与 PU 泡沫。在更苛刻的极端环境(−40 ℃ 至 300 ℃)下进行长达 160 分钟的连续循环测试，材料的弹性表现依旧稳健，证实其内部稳定的交联网络在常年极端恶劣工况下不发生降解。同时，得益于超轻质气凝胶引入的大量异质界面，材料的整体热导率骤降至 0.046 W/(m·K)。静态隔热测试中，在 80 ℃ 的恒温热源暴露 30 分钟后，受保护侧温度仅变化了 5.7 ℃，比纯硅橡胶泡沫的温升减少了近一半，完美切断了常规工况下的局部热累积。
图 3. 复合材料的宽温域微观力学耐久性以及静态稳健隔热行为表征 。
III 主动防线与多尺度瓷化：瞬时烧结抵御1100 °C极端喷射
为了量化模拟真实热失控的残酷火灾场景，研究团队利用丁烷喷灯(~1100 ℃)开展了定制化的强喷射消融实验。结果：纯硅橡胶泡沫在短短数秒内即燃，并在 400 秒内被完全“烧穿”。然而，复合材料表现出了惊人的火不侵特性。经历长达 30 分钟的 1100 ℃ 强压火焰持续喷射，材料 macroscopic 结构极其完整，背面温度稳定在 97.1 ℃ 左右。即便前段基体出现部分消融，中层的 GFF 骨架犹如一面牢固的“机械防火墙”，牢牢抵挡住了高压火焰射流的冲刷，展现出超越市售传统火灾屏障的潜力。在 锥形量热仪测试 中，该体系将总释放热量(THR)降低了 54.4%，总产烟量(TSP)骤降 87.9%，有毒气体 CO 释放率降低 64%，真正实现了集强力阻燃抑烟、长效隔热与高效抗冲于一体的主动防护。
当火焰接触表面时，内部的多尺度填料在高温下迅速触发连锁反应：APP 与 ZB 分解释放惰性气体稀释可燃物，并迅速交联生成 α-Zn₃(PO₄)₂ 玻璃质物相；随后，复合填料在玻璃相的助熔作用下发生液相烧结，仅在 10-30 秒的“黄金时间窗口”内，便在材料表面原位筑起了一道坚不可摧的“硅酸盐陶瓷壁垒”。
图4 . 高温烧结后固体微观烧结网络、晶相转化及协同陶瓷化演变机制分析 。
IV 模组蔓延终结者：单芯失控，全局无忧
为了给实际工程应用递交合格答卷，研究团队在定制平台上开展了真实的三电芯锂电池模组(37 Ah方型电芯)热失控蔓延(TRP)测试。在“无保护对照组”中，1号电池 TR 爆发后，瞬时累积的热量在短短 48 秒内连续引燃2号和3号电池，伴随着外壳熔化与连环爆炸，整个模组在极短时间内全军覆没。而在引入仅 3 mm 厚度的复合材料隔后，1号电池发生猛烈喷失控时，隔热层瞬间成瓷，将上百毫秒内暴涨的高温辐射与剧烈高压气流悉数拦截。相邻2号电池的表面核心温升被死死压制在安全界限以下，电压保持稳定，热失控被完美锁定在1号“初始零号电芯”内，全局未发生任何蔓延。与制备工艺复杂、易粉化的市售传统气凝胶毡相比，展现出了优异的综合防护效率与实用工程寿命。
图5 . 真实锂电池模组热失控蔓延防护测试演变对比 。
V 总结
本研究提出了一种基于梯度层状设计与多尺度协同瓷化的高韧性可瓷化硅橡胶泡沫复合材料，成功破解了金属转化与动力冲击环境下传统热防护材料的“静态刚性”与“动态韧性”矛盾。
在静态与疲劳端，得益于骨架与稳定的化学网络，材料具有全温域(−40 至 300 °C)的高弹性抗疲劳性，满足日常颠簸与电池循环膨胀需求。
在极端热冲击端，在面对 TR 爆发的黄金几十秒内，材料通过化学相变和多组分溶解，瞬时原位演变为“无惧穿孔”的致密硅酸盐陶瓷层，配合玻纤织物的强宏观拉伸性，铸就双重安全防线。
在全电池模组应用方面，仅需3 mm超薄身躯，成功实现锂电模组TRP的零蔓延阻断，守护储能基站整体系统不崩溃。
这种构筑策略比起以往繁琐、高成本的纳米组装或单一功能堆砌，更加简洁、高效且易于工业连续化制造。其不仅有望成为大型锂电、钠电储能系统的安全基石，未来甚至能在航空航天热绝缘、深海极端环境以及油气田耐火管网防护等核心战略领域绽放光彩。
作者简介
邱水来
本文第一作者
中国石油大学(北京) 特任教授
▍ 主要研究 领域
(1)油气及新能源安全材料；(2)防火安全材料；(3)电池安全防护技术。
▍ 主要研究成果
中国石油大学(北京)新能源安全研究中心副主任，校级“优秀青年学者”。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室获博士学位，香港城市大学联合培养博士。其后在中国科学技术大学从事博士后工作。2023年加入中国石油大学(北京)至今。邱老师的主要研究方向为油气及新能源安全材料设计与应用、防火安全材料及电池安全防护技术等。共发表SCI收录论文110余篇，其中第一或通讯作者论文60余篇；论文引用7200余次，H因子50。受斯普林格出版社邀请出版英文专著一部。曾获中国科学院百篇优博及中国科学院院长特别奖等荣誉。
▍ Email： shuilai@cup.edu.cn
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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Nan o-M icro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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