罕见！所有作者中文署名！河北工业大学，打破校史，首篇Nature系列综述诞生！

来源：顶刊收割机

成果简介

电化学储能是能源存储的主要技术之一，使得电池在电动汽车和储能站等应用中必不可少。对于电池本身来说，实现对极端温度的抵抗是一个关键目标。然而，没有一种电池材料或系统可以被认为是绝对安全的或与温度无关的。

河北工业大学饶中浩教授、清华大学冯旭宁副教授等人从热的角度讨论电池的安全性，并强调电池热管理的重要性。电池热管理确保电化学反应在最佳温度范围内发生，抑制副反应，延迟甚至防止热失控。这种平衡对于提高电池效率和延长其使用寿命至关重要。当电池材料和系统的绝对安全无法保证时，热管理成为电池热风险的主要障碍。然而，由于放热副反应的速度极快，当热失控无法控制时，灭火的重要性就变得明显，从而导致火灾事故。热生成的控制、有效的热管理和强大的灭火策略是确保电池热安全的关键，对电池的发展和大规模应用具有至关重要的作用。

相关工作以《A thermal perspective on battery safety》为题在《Nature Reviews Clean Technology》上发表综述文章。这也是河北工业大学在《Nature Reviews Clean Technology》上发表的首篇综述文章。

饶中浩，教授、博士生导师，现任河北工业大学能源与环境工程学院院长，河北省先进储能技术与装备工程研究中心主任。先后入选国家“万人计划”青年拔尖人才（2018年），河北省杰出青年基金（2024年），天津市杰出青年基金（2022年），河北省拔尖人才（2024年），天津市引进领军人才（2023年），科睿唯安全球高被引科学家（2023、2020年），爱思唯尔中国高被引学者（2021-2023年），全球前2%顶尖科学家（连续5年）。

冯旭宁，2017年1月获清华大学工学博士学位。自2023年2月起于清华大学车辆与运载学院，任清华大学副教授，博士生导师。主要研究方向为动力及储能电池安全性。

图文介绍

图1 电池热安全的相互依赖热管理、热失控缓解和灭火策略

由于电池是为在特定温度范围内工作而开发的，因此它们在极端环境中的适用性可能受到限制，在极端环境中，温度操作要求可以从低至-80℃到高达60℃。电池热管理可以帮助满足电池的外部热需求，如低温加热需求和高温冷却需求。然而，当避免内部（热失控）加热问题的努力无效时，电池着火，就需要灭火方法。虽然这一阶段需要采取消防措施，但解决相关的热问题也与保证电池的整体安全有关。

热管理、热失控和热灭火是错综复杂的联系（图1）。减轻热失控和火焰传播的要求对热管理系统提出了更严格的要求，这需要散热能力和结构设计来避免加速热危害的传播。

本文概述了电池遇到的热失控和火灾风险等挑战，同时提出了热管理措施，以减轻影响电池性能的热相关问题。电池热失控被认为是火灾事故的根本原因，研究其基本机制和相应的抑制策略至关重要。同时，热管理作为保护电池免受极端温度影响的外部方法，其有效性直接决定了电池的寿命、性能和安全性。最终，如果电池仍然发生不可预测的热失控，灭火策略将成为最后的保障。在这里，提出了一个三层的方法来解决热失控和灭火问题，从热的角度确保电池的寿命、性能和安全性。

图2 电池热失控机理及传播过程

当电池在不同的滥用条件下（机械、电气或热滥用）发生热失控时，电池内的活性物质会经历热分解和放热副反应。这种分解包括负极SEI的降解，电极材料（正极和负极）、隔膜、电解质和其他内部组件的分解，导致电池内部温度升高。此外，在不同温度下，电池内部会发生放热副反应，如正极与电解质之间的化学串扰或负极与粘合剂相关的反应（图2a）。这些反应是电池内部产生热量的主要来源。在这些过程中，内部能量以热的形式不受控制地释放，导致火灾等事件（图2b）。

此外，热失控传播是另一个需要注意的关键问题。电池内部热边界的扩散加剧了热失控过程，而电池之间的热失控传播可能引发系统级火灾事件。电池内部的热失控传播受电解质蒸发（对于液体电解质电池）、气体产生和气体扩散等因素的影响。虽然电解质蒸发可以减缓热失控的传播，但气体扩散可以使热失控的传播加速36.84%。在电池内部气体生成过程中，电极层之间气体的析出导致电池层的分层，减少了电极层之间电子和离子传导的界面面积。持续的气体产生导致电池内部压力逐步升高，当压力达到电池安全阀的排气临界阈值时，发生排气，压力的突然释放可能导致电池内部结构的崩溃。

电池间的热失控传播主要通过热传导、热对流和热辐射进行（图2c）。热传导主要是通过相邻电池之间的表面接触发生的。由于局部高温，电池周围空气的密度梯度产生热对流，热失控时排气产生额外的对流。热辐射既包括热失控引起的火焰辐射，也包括高温电池对周围电池的辐射（图2c）。

图3 确保电池热安全的三层策略

高温冷却技术通常通过使用热管理材料或设计用于从电池系统排出热量的设备来实现。根据传热效率，冷却方式可分为空气冷却、相变材料冷却、热管冷却和液体冷却（图3）。根据电池组内空气流动的驱动因素，空气冷却可进一步分为被动空气冷却系统和主动空气冷却系统。被动式空气冷却系统依靠车辆运动产生的自然风来散热，不需要任何外部辅助动力。主动空气冷却系统使用强制对流，通常在电池组周围安装局部散热器或风扇，或使用车辆现有的蒸发器提供冷空气。与被动风冷系统相比，主动风冷系统提高了散热性能，满足高能量密度动力电池的散热需求。

相变材料冷却的基础是相变储热材料，相变储热材料在相变过程中吸收和释放热量，同时保持恒定的温度。基于热管的热管理系统类似于计算机芯片中的热管理系统；它们使用具有高等效导热系数的热管输出电池的热量，但热管与电池之间的小接触面积往往需要同时使用其他热管理方法。

直接冷却技术是另一种常见且成熟的热管理方法。从传热介质的物理状态来看，直接冷却仍然使用液体（制冷剂）带走热量，因此属于液体冷却范畴。尽管如此，在工业术语中，它通常与用水或水-乙二醇的非接触式液体冷却区分开来，并单独称为直接冷却或直接制冷剂冷却。直接冷却技术（~0.33 K min-1）通过直接使用制冷剂冷却电池表面来快速降低电池温度。该技术使用热交换器在电池周围循环制冷剂，实现精确的温度控制。

根据是否设计制冷模块，液体冷却系统可分为被动液体冷却和主动液体冷却系统。根据液热管理介质是否与电池接触，又可分为非接触式和接触式两种。在基于接触的液体冷却管理中，也称为基于浸没的电池热管理，电池的直接温度控制是使用单相浸没液或沸腾的两相浸没液来实现的。两相系统利用液气相变潜热和气泡沸腾获得5-20.8 kW m-2 K-1的对流换热系数。单相接触冷却也可达到2 kW m-2 K-1左右，比风冷（10-100 W m-2 K-1）提高50-2000倍，整体换热率提高1000-10000倍。

图4 电池灭火

在热失控的情况下，预计会发生温度的迅速升高以及可燃和有毒气体、电解质和颗粒的释放（图4a、b）。这些现象可以通过温度、气体和烟雾传感器检测到，用于电池系统的故障诊断，然后触发警告信号，指示热失控（图4，步骤1）。一旦收到这些警告信号，灭火系统将被激活。确认热失控后，此类系统的关键考虑因素包括选择合适的灭火剂（图4，步骤2），以及确定如何将其引入电池火灾场景（图4，步骤3）。

在选择合适的灭火剂时，应系统地考虑几个因素，包括热容量、粘度、绝缘性能、润湿性、环保性、污染物吸收能力和成本（图4c）。目前可用于锂离子电池热失控的灭火剂分为气态灭火剂、液体灭火剂和固体灭火剂。在这些选择中，液体灭火剂表现出高冷却能力（比热容在1.0-4.2 kJ kg-1 K-1之间，蒸发焓在80-2256.4 kJ kg-1之间）、低腐蚀性、低毒性和低环境影响（全球变暖潜能值在0-1之间）。液体灭火剂可分为水基灭火剂、水胶体灭火剂、泡沫灭火剂和其他类型的液体灭火剂。

基于水胶体的溶液热容量有限，而基于泡沫的替代品具有高腐蚀性且难以清洗；因此，它们不太常用于扑灭涉及锂离子电池的火灾。凝胶泡沫主要由表面活性剂、胶凝剂、交联剂和混凝剂组成，它结合了水胶体灭火剂和泡沫灭火剂的优点。然而，凝胶泡沫的灭火效果还没有系统的阐述，也没有足够的数据来证明其商业有效性。锂离子电池火灾常用的液体灭火剂包括水基溶液以及全氟己酮（C6F12O）和液氮（图4d）。

水基灭火剂可以是纯水，也可以是含有添加剂的水。纯水具有热容量大、粘度低、成本低、无毒等优点，在商业应用中广泛用于电池灭火。纯水在抑制电池火灾中的作用主要是通过水滴蒸发过程中的吸热冷却来实现的。为了进一步提高纯水雾的灭火效率，可以加入无机和有机添加剂来改变其物理和化学性质。添加剂的加入增加了液滴的表面张力，从而延长了液滴的渗透距离和与火焰的接触面积。此外，这些添加剂的分解产物可能会中断涉及气体氧化排放的连锁反应，同时提高水剂对污染物的吸收能力。常用的水雾添加剂包括含有K+、Na+、NH4+、Cl-、HCO3-、CO32-、H2PO4-和HPO42-的无机盐，以及胶束封装剂F-500等有机物质（图4e）。

全氟己酮和液氮在抑制电池火灾方面也表现出优异的性能。由于其良好的环境特性、有效的冷却能力（沸点为49.2℃，在蒸发过程中带走大量热量）和优异的绝缘性能（不导电），全氟己酮已被商业应用于储能系统中。但是，全氟己酮会产生有毒气体，其冷却能力和污染物吸收能力仍有提高的空间。液氮具有优异的冷却能力（沸点为-196℃，在蒸发过程中带走大量热量），而不会影响邻近电池的循环寿命。此外，它还可以稀释反应区内的可燃气体。然而，它不能通过捕获自由基来抑制燃烧链反应，并且相关的灭火系统需要更高的成本（图4e）。

应在热失控或燃烧倾向高的地区使用灭火剂，以达到灭火的目的。通常，这些试剂是通过电池火灾中的洒水器或喷射器引入的。电池火灾可以通过喷雾冷却控制，喷雾冷却分为连续喷射和间歇喷射两种（图4f）。连续喷射提供了更简单的控制，而间歇喷射通过充分利用相变吸热能力提供了更好的冷却性能。然而，注入间隔和持续时间的设计应具体到每种情况。在温度上升速度极快的条件下，在抑制锰酸锂电池和磷酸铁锂电池的热危害方面，洒水冷却可能比喷雾冷却更有效。然而，它可能不能有效地抑制镍锰钴电池的热失控，因为镍锰钴电池的热失控行为比磷酸铁锂和氧化锰锂电池更严重（图4g）。虽然洒水冷却在处理严重的热失控问题方面表现出优越的性能，因为大量的热量可以通过连续蒸发冷却带走，但它可能需要更多的空间来确保最佳的功能，从而降低了紧凑性和商业适用性。

电池灭火也可以通过在电池之间引入阻燃层或在电池表面涂上灭火剂来实现。柔性二氧化硅纳米纤维垫、气凝胶毡或加入阻燃添加剂的可压缩聚氨酯泡沫塑料均可作为阻燃层，因为它们具有良好的机械性能、有效的灭火和隔热性能（图4h）。然而，柔性二氧化硅纳米纤维毡和气凝胶毡的热稳定性远好于可压缩聚氨酯泡沫塑料（失重5%时，柔性二氧化硅纳米纤维毡和气凝胶毡的热分解温度可分别达到800℃和1000℃以上）。

文献信息

A thermal perspective on battery safety，Nature Reviews Clean Technology，2025.

https://www.nature.com/articles/s44359-025-00073-x

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