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热响应材料在电池系统中的新兴作用
来源：快猛电池 发布日期：2026-05-27 17:46:04
本研究探讨了智能材料在开发锂离子电池（LIBs）自适应热管理系统（BTMS）中的关键作用，以解决热失控这一重大挑战。创新重点集中在多功能材料上，如相变材料（PCMs）和热响应聚合物，这些材料能实现系统的自主响应。当温度超过阈值时，这些材料通过阻断离子或电子传输来提供主动安全切换，从而有效关闭电池单元。至关重要的是，这些材料还可整合自修复机制，以恢复结构完整性、修复微裂纹并抑制锂枝晶，从而提升长期耐久性和可靠性。这种技术融合推动着电池架构向智能化与安全化方向实现必要的范式转变。
全球范围内对脱碳和可持续能源系统转型的推动，已将电气化确立为交通、电网基础设施和工业等多领域的核心策略[1]。在此背景下，锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命和可扩展性[2][3]，已成为主导性储能技术。从便携式电子装备、电动汽车（EVs）到固定式储能系统，锂离子电池正推动着向清洁能源系统的转型[4]。
然而，电池的广泛应用也使得安全问题重新受到关注，尤其是在滥用或极端运行条件下。在各类安全挑战中，热不稳定性仍是最关键的隐患之一，因其可能引发热失控（TR）——一种自加速且不可逆的过程。该过程中，温度升高会触发电池内部放热反应，释放的热量进一步加速材料降解，最终可能导致气体快速积聚、壳体膨胀、泄压甚至起火爆炸（图1a）。) [5].
随着电池技术向更大规模和更高要求的应用领域扩展，提升其热管理和本征安全性变得至关重要。传统安全策略——如外部热管理系统[10]、电路保护装置[11]和阻燃材料[12]——虽能提供一定缓解效果。然而，近期研究聚焦于基于材料的解决方案，这类材料能够主动响应温度变化，并在达到危险状态前自主切断电池运行[13][14][15]。
电池性能、寿命和安全性均与温度密切相关。锂离子电池（LIBs）仅在狭窄温度范围（通常为20-45°C）内才能实现最佳运行状态，温度偏离（无论是过热或过冷）都会导致容量衰减、内阻增加及老化加速[5][16]。极端情况下，不当的热管理可能触发热失控（TR），这种风险在电动汽车（EVs）[17]、航空航天系统[18]和电网级储能[19]等高能量应用中尤为显著。为理解导致热失控的不同机制，图1b重点展示了锂离子电池的温度依赖性行为——其仅在20-45°C的狭窄最优区间内保持高效运作。在零下温度环境中，电解液粘度上升及锂离子迁移率下降会导致内阻升高、容量降低，并引发锂镀层和枝晶形成的风险[20][21][22]。相比之下，温度升高会引发一系列降解过程：固体电解质界面相（SEI）层在接近60°C时开始分解，电解质-阳极反应在80至120°C间加剧，而隔膜在130–150°C熔化会导致内部短路。当温度超过200°C时，阴极分解释放的氧气会扳机电解质的剧烈燃烧。这些热现象凸显了温度控制对确保锂离子电池安全性与性能的关键重要性[5][6][7]。
因此，有效的电池热管理系统（BTMS）对于确保电池模块和电池组内各单体电池温度分布均匀至关重要[23]。散热不足或热分布不均会导致显著的电池间温度梯度，从而产生局部热点，降低电池性能并严重危害运行安全。热应力还被证实会加速SEI本征降解机制并促进锂枝晶生长，从而增加内部短路和热失控事件的发生概率[8]。
为解决这些挑战，将智能材料集成至BTMS设计中已成为一种颇具前景的解决方案。智能材料在光、力、湿度、温度、电压或电场等外部刺激下会呈现响应行为[24]。其本征响应特性使其能够实时适应异常工况，从而为动态自主热管理提供支持。在智能材料中，相变材料（PCMs）因其在可逆相变过程中（通常为固-液相变）吸收或释放潜热的内在能力而受到特别关注。该特性使相变材料能通过熔化阶段吸收多余热量、凝固阶段释放热量来实现温度稳定。除被动热缓冲功能外，相变材料还可作为电池系统的内部主动安全机制。溶胶-凝胶转变聚合物能在临界温度[25]下发生相分离。根据其表现出的最低临界共溶温度（LCST）或最高临界共溶温度（UCST），可对这类材料进行分类。在LCST体系中，相分离发生于阈值温度之上；而在UCST体系中，相分离则出现在特征温度之下[25]。通过精确设计，其突变的相变行为可暂时阻断离子传输，起到热开关的作用——中断电流流动并防止温度进一步升高。相变材料（PCMs）的最新进展已将其功能拓展至包含形状记忆行为，使其能够在外部刺激消除后恢复原始构型。此类形状记忆相变材料将可逆相变与结构记忆特性相结合，不仅能在不安全条件下阻断电化学活动，还能在恢复正常工作温度后实现自我修复。这些特性使相变材料成为新一代电化学设备中自适应可逆安全机制的重要候选材料。
与相变材料（PCMs）互补的是，具有正温度系数（PTC）电阻特性的材料构成了自调节电池系统开发中的另一关键组件[26]。PTC材料通常由聚合物-填料复合材料组成，在常温下呈现低电阻特性，但受热时电阻会急剧显著上升。聚合物基体的热膨胀效应会破坏填料间的导电路径，从而有效触发热关断机制，将电池与后续电流通路隔离[27]。这种温度驱动的电导率调制提供了一种被动却可靠的机制，可在热滥用情况下中止系统运行。此外，热响应聚合物与智能电解质的开发有效降低了易燃有机溶剂带来的风险[28][29]。这些材料在暴露于异常高温环境时，会表现出离子电导率的急剧下降，从而在工况稳定前使电化学系统处于失活状态。阻燃添加剂与氧化还原梭的引入进一步强化了其防护功能，为电池设计中的综合安全策略做出了贡献[30][31]。
另一类推动电池热管理系统创新的新兴材料是自修复聚合物和电解质，其设计初衷是实现微裂纹和机械损伤的自主修复。通过恢复结构完整性并抑制锂枝晶生长，这种自修复机制可延长电池寿命并提高运行可靠性。这些材料的工作原理基于可逆化学键合、聚合物链迁移率或在机械失效时激活的微胶囊化修复剂。此类自修复功能的集成使电池具备从损伤中恢复的能力，在反复循环或外部应力条件下可减缓性能衰退并提升安全性[32]。
总体而言，相变材料、自修复聚合物以及具备关断功能的系统所取得的进展，标志着从传统被动式电池热管理系统（BTMS）向自适应、多功能智能热管理架构的范式转变。这些先进系统不仅能调节温度，还具有实时感知、响应并适应危险工况的能力。这些材料创新技术的融合预期将在开发更安全、更持久、更可靠的电池技术中发挥决定性作用，其应用领域涵盖便携式电子设备、电动汽车、航空航天系统及大规模储能应用[33]。
尽管已取得这些进展，关于相变材料（PCM）基电池热管理、热响应性关断系统及自修复电池材料的文献正快速扩展，但这些主题仍常被不同研究群体和应用领域孤立讨论。近期综述虽已分别对PCM基BTMS系统[34][35][36][37]、刺激响应安全设计[38][39][40]及自修复电解质[32][41][42]提供了全面视角，但针对三者融合的聚焦讨论仍显不足。特别是，将被动热调节、热触发电化学中断以及损伤容限或自我恢复功能整合至统一电池热管理系统（BTMS）框架内的可能性尚未得到系统研究。因此，本综述分析了相变材料（PCMs）在BTMS中超越传统热缓冲作用的应用，重点探讨其与热开关概念的关联性，以及其与自修复电池材料的潜在交叉领域。同时，本文还讨论了关键挑战、设计考量及未来研究方向。
全球范围内对脱碳和可持续能源系统转型的推动，已将电气化确立为交通、电网基础设施和工业等多领域的核心策略[1]。在此背景下，锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命和可扩展性[2][3]，已成为主导性储能技术。从便携式电子装备、电动汽车（EVs）到固定式储能系统，锂离子电池正推动着向清洁能源系统的转型[4]。
然而，电池的广泛应用也使得安全问题重新受到关注，尤其是在滥用或极端运行条件下。在各类安全挑战中，热不稳定性仍是最关键的隐患之一，因其可能引发热失控（TR）——一种自加速且不可逆的过程。该过程中，温度升高会触发电池内部放热反应，释放的热量进一步加速材料降解，最终可能导致气体快速积聚、壳体膨胀、泄压甚至起火爆炸（图1a）。) [5].
随着电池技术向更大规模和更高要求的应用领域扩展，提升其热管理和本征安全性变得至关重要。传统安全策略——如外部热管理系统[10]、电路保护装置[11]和阻燃材料[12]——虽能提供一定缓解效果。然而，近期研究聚焦于基于材料的解决方案，这类材料能够主动响应温度变化，并在达到危险状态前自主切断电池运行[13][14][15]。
电池性能、寿命和安全性均与温度密切相关。锂离子电池（LIBs）仅在狭窄温度范围（通常为20-45°C）内才能实现最佳运行状态，温度偏离（无论是过热或过冷）都会导致容量衰减、内阻增加及老化加速[5][16]。极端情况下，不当的热管理可能触发热失控（TR），这种风险在电动汽车（EVs）[17]、航空航天系统[18]和电网级储能[19]等高能量应用中尤为显著。为理解导致热失控的不同机制，图1b重点展示了锂离子电池的温度依赖性行为——其仅在20-45°C的狭窄最优区间内保持高效运作。在零下温度环境中，电解液粘度上升及锂离子迁移率下降会导致内阻升高、容量降低，并引发锂镀层和枝晶形成的风险[20][21][22]。相比之下，温度升高会引发一系列降解过程：固体电解质界面相（SEI）层在接近60°C时开始分解，电解质-阳极反应在80至120°C间加剧，而隔膜在130–150°C熔化会导致内部短路。当温度超过200°C时，阴极分解释放的氧气会扳机电解质的剧烈燃烧。这些热现象凸显了温度控制对确保锂离子电池安全性与性能的关键重要性[5][6][7]。
因此，有效的电池热管理系统（BTMS）对于确保电池模块和电池组内各单体电池温度分布均匀至关重要[23]。散热不足或热分布不均会导致显著的电池间温度梯度，从而产生局部热点，降低电池性能并严重危害运行安全。热应力还被证实会加速SEI本征降解机制并促进锂枝晶生长，从而增加内部短路和热失控事件的发生概率[8]。
为解决这些挑战，将智能材料集成至BTMS设计中已成为一种颇具前景的解决方案。智能材料在光、力、湿度、温度、电压或电场等外部刺激下会呈现响应行为[24]。其本征响应特性使其能够实时适应异常工况，从而为动态自主热管理提供支持。在智能材料中，相变材料（PCMs）因其在可逆相变过程中（通常为固-液相变）吸收或释放潜热的内在能力而受到特别关注。该特性使相变材料能通过熔化阶段吸收多余热量、凝固阶段释放热量来实现温度稳定。除被动热缓冲功能外，相变材料还可作为电池系统的内部主动安全机制。溶胶-凝胶转变聚合物能在临界温度[25]下发生相分离。根据其表现出的最低临界共溶温度（LCST）或最高临界共溶温度（UCST），可对这类材料进行分类。在LCST体系中，相分离发生于阈值温度之上；而在UCST体系中，相分离则出现在特征温度之下[25]。通过精确设计，其突变的相变行为可暂时阻断离子传输，起到热开关的作用——中断电流流动并防止温度进一步升高。相变材料（PCMs）的最新进展已将其功能拓展至包含形状记忆行为，使其能够在外部刺激消除后恢复原始构型。此类形状记忆相变材料将可逆相变与结构记忆特性相结合，不仅能在不安全条件下阻断电化学活动，还能在恢复正常工作温度后实现自我修复。这些特性使相变材料成为新一代电化学设备中自适应可逆安全机制的重要候选材料。
与相变材料（PCMs）互补的是，具有正温度系数（PTC）电阻特性的材料构成了自调节电池系统开发中的另一关键组件[26]。PTC材料通常由聚合物-填料复合材料组成，在常温下呈现低电阻特性，但受热时电阻会急剧显著上升。聚合物基体的热膨胀效应会破坏填料间的导电路径，从而有效触发热关断机制，将电池与后续电流通路隔离[27]。这种温度驱动的电导率调制提供了一种被动却可靠的机制，可在热滥用情况下中止系统运行。此外，热响应聚合物与智能电解质的开发有效降低了易燃有机溶剂带来的风险[28][29]。这些材料在暴露于异常高温环境时，会表现出离子电导率的急剧下降，从而在工况稳定前使电化学系统处于失活状态。阻燃添加剂与氧化还原梭的引入进一步强化了其防护功能，为电池设计中的综合安全策略做出了贡献[30][31]。
另一类推动电池热管理系统创新的新兴材料是自修复聚合物和电解质，其设计初衷是实现微裂纹和机械损伤的自主修复。通过恢复结构完整性并抑制锂枝晶生长，这种自修复机制可延长电池寿命并提高运行可靠性。这些材料的工作原理基于可逆化学键合、聚合物链迁移率或在机械失效时激活的微胶囊化修复剂。此类自修复功能的集成使电池具备从损伤中恢复的能力，在反复循环或外部应力条件下可减缓性能衰退并提升安全性[32]。
总体而言，相变材料、自修复聚合物以及具备关断功能的系统所取得的进展，标志着从传统被动式电池热管理系统（BTMS）向自适应、多功能智能热管理架构的范式转变。这些先进系统不仅能调节温度，还具有实时感知、响应并适应危险工况的能力。这些材料创新技术的融合预期将在开发更安全、更持久、更可靠的电池技术中发挥决定性作用，其应用领域涵盖便携式电子设备、电动汽车、航空航天系统及大规模储能应用[33]。
尽管已取得这些进展，关于相变材料（PCM）基电池热管理、热响应性关断系统及自修复电池材料的文献正快速扩展，但这些主题仍常被不同研究群体和应用领域孤立讨论。近期综述虽已分别对PCM基BTMS系统[34][35][36][37]、刺激响应安全设计[38][39][40]及自修复电解质[32][41][42]提供了全面视角，但针对三者融合的聚焦讨论仍显不足。特别是，将被动热调节、热触发电化学中断以及损伤容限或自我恢复功能整合至统一电池热管理系统（BTMS）框架内的可能性尚未得到系统研究。因此，本综述分析了相变材料（PCMs）在BTMS中超越传统热缓冲作用的应用，重点探讨其与热开关概念的关联性，以及其与自修复电池材料的潜在交叉领域。同时，本文还讨论了关键挑战、设计考量及未来研究方向。
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