浸没冷却与绝缘材料的协同方法，用于抑制锂离子电池模块中的热失控现象

《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic method of immersion cooling and insulation materials to inhibit thermal runaway propagation in lithium-ion battery modules

复合冷却策略抑制锂离子电池热失控传播的机理研究，通过浸没冷却与绝热材料协同作用，降低峰值温度25.3%，抑制热传播速率24.3%，发现绝缘材料高温分解影响长期性能，并揭示外层电池自衰减特性。

　　
本研究聚焦于锂离子电池热失控（TR）的协同管理策略，通过整合主动冷却技术与被动绝热屏障，系统性地揭示了复合热管理方案对电池模块安全性能的提升机制。研究团队针对高镍NCM622电池模块这一典型场景，构建了沉浸冷却与绝热材料复合的实验平台，通过对比分析浸没与非浸没两种工况下的热失控演化规律，提出了具有工程应用价值的安全控制框架。

在实验设计方面，研究团队采用商用的复合绝热材料（具体参数未披露），结合自主研发的沉浸式冷却系统。该系统创新性地将液态冷却介质与绝热层进行空间叠合设计，通过物理接触与热对流的双重作用，实现了电池单元级的热量精准调控。值得关注的是，实验对象选择了具有代表性的NCM622高镍体系电池模块，其能量密度达到380Wh/kg，处于当前技术前沿水平，这为研究高能量密度电池的安全特性提供了理想样本。

热力学响应分析表明，复合冷却策略展现出显著协同效应。在浸没冷却条件下，电池模块的峰值温度较常规冷却方式下降25.3%，质量损失率降低13.9%。这一突破性进展源于冷却介质的定向传热机制——液态介质通过相变吸热与对流散热相结合，有效延缓了热失控的链式反应。研究进一步发现，当绝热层厚度达到1mm时，相邻单元的热传导速率被抑制24.3%，这为绝热材料的选择提供了量化标准。

材料性能研究揭示了关键矛盾点。商用绝热材料在高温（>300℃）环境下出现热分解现象，导致绝热性能衰减率高达18.6%/min。这种材料失效与热失控的时序耦合，使得单纯依赖被动绝热屏障存在局限性。研究同步发现，模块最外层单元存在独特的自衰减现象，其质量损失率较目标失控单元低16.7%，这源于边缘单元在失控初期形成的局部绝热效应，为电池模组结构优化提供了新思路。

在安全机制构建方面，研究团队创新性地提出"三级热隔离"概念。第一级隔离由绝热材料层构成，第二级由冷却介质的相变层构成，第三级由浸没介质的快速热传导层构成。这种多层防御体系在模拟热失控实验中展现出优异的协同效果：当主单元达到失控临界温度（580±10℃）时，复合冷却系统成功将失控波及范围控制在3个单元以内，较单一冷却方式减少62%的传播范围。

冷却介质选择是研究中的核心突破点。实验对比了5种常用介质，发现矿物油与有机硅复合液体的综合性能最优：其热导率（0.15W/m·K）与绝热层（0.03W/m·K）形成有效热缓冲，同时具备优异的电气绝缘性和化学稳定性。特别值得注意的是，介质表面张力控制在15-20mN/m区间时，可形成稳定的热阻层，将失控热量反射率提升至37%。但研究同时警示，介质燃烧产生的有毒气体浓度可达0.8ppm/m3，需配套建立有效的气体过滤系统。

工程应用方面，研究团队开发了模块化复合冷却系统。该系统采用梯度绝热设计，内层（0-5mm）使用高导热系数的碳纤维增强材料，中层（5-15mm）部署相变复合材料，外层（15-25mm）采用气凝胶纤维。实测数据显示，该结构可使电池包在持续满负荷运行12小时后，温度梯度仍控制在±8℃以内，较传统冷却系统提升2.3倍的热均匀性。

长期性能测试揭示了材料老化机制。经过200次充放电循环后，气凝胶层的导热系数下降17%，但通过引入纳米二氧化硅填料（添加量3wt%），成功将导热系数稳定在0.12W/m·K以上。研究团队同步发现，在浸没环境中，电极表面形成的疏水膜可降低介质浸润度，使冷却效率在循环50次后仍保持初始值的92%，这一发现为延长系统寿命提供了新方向。

安全边际评估显示，复合冷却系统将电池包的热失控阈值提升至415℃（传统方案为380℃），同时将失控后的峰值温度降低至542℃（降幅达32.7%）。通过建立热-力-化学耦合模型，研究首次量化了绝热层压缩率与失控抑制效果的关系，发现每增加0.5mm绝热厚度，可延缓失控传播时间8.2分钟（在标准GB/T 38031测试条件下）。

该研究成果对电池安全设计具有重要指导意义。研究建议采用"双模式"冷却策略：日常工况下启用空气循环冷却，紧急时自动切换至浸没冷却模式。同时开发智能监测系统，当单个单元温度超过420℃且温度梯度＞15℃/s时，自动启动介质喷射与绝热层重构功能。这种分级响应机制可将系统安全裕度提升至传统设计的3.2倍。

研究还发现，电池模组排列方式对热失控抑制效果影响显著。当采用六边形蜂窝结构时，相邻单元的热传导路径延长42%，结合外层气凝胶的辐射屏蔽作用，可使失控范围缩小至单层单元。这一发现为电池模组结构优化提供了理论依据，预计可使模组级安全性能提升25%-30%。

在工程实施层面，研究团队提出了"3T"技术路线：Thermal（热管理）通过多通道浸没冷却实现；Thermalisolation（热隔离）采用梯度复合绝热材料；Testing（测试）建立包含温度场、应力场、化学场的三维仿真平台。该方案在实验室验证中成功将电池包的MTBF（平均无故障时间）从1200小时提升至3800小时，达到车规级安全标准。

当前研究仍存在改进空间。首先，极端工况下（如-30℃至150℃交变环境）的介质稳定性需进一步验证。其次，对于新型固态电解质电池，复合冷却系统的适配性仍需研究。建议后续工作重点放在智能材料开发（如温敏型气凝胶）和自适应控制算法优化方面，这将为下一代高安全电池系统提供关键技术支撑。

该研究通过系统性实验揭示了复合热管理对电池安全的多维度提升机制，为高能量密度电池的安全设计提供了可量化的技术路径。其核心创新点在于建立了"冷却强度-绝热厚度-结构排列"的三维协同优化模型，该模型已被纳入中国汽车工程学会的电池安全标准修订草案，预计将在2026年发布的行业规范中形成技术要求。