JLG蓄电池基于液态金属-PCM复合材料的湿度扳机自热调控提升锂离子电池低温环境性能
来源：JLG电瓶 2026-03-10 21:21:50 点击：
低温运行会降低锂离子电池（LIB）的性能与安全性。本文报道了一种湿度响应型复合材料，该材料结合共晶镓铟包覆铝（LM@Al）、活性炭和相变微胶囊（PCMs），可在无需外部电子器件的情况下实现快速可控预热与持续热缓冲。LM@Al通过铝-水氧化还原反应释放放热，同时液态金属形成催化导热外壳；活性炭加速水分传输；相变微胶囊则吸收峰值热量以延长保温时间。SEM-EDX分析证实了反应过程中形成的核壳结构LM@Al颗粒及液态金属微滴。通过对18,650组电池的系统性测试，确定了最佳成分配比（固定活性炭含量10%条件下LM:Al:PCM=10:1:2）和3毫米复合层厚度，在-10至0℃环境温度范围内可实现最高4.9℃/分钟的升温速率及29℃的安全峰值温度。湿度调控策略通过匹配放电速率调节放热过程，实现了快速预热与材料消耗的平衡。在极端-20℃条件下，性能受限于水的冻结现象。持续90%相对湿度的供给方法将脉冲式湿度Trigger放热转化为均匀温和的热量输出，不仅提升了低温放电容量，还有效缓解了容量衰减问题，为寒区电池应用提供了一种具有前景的被动式BTMS解决方案。后续研究需着重解决规模化生产、长期循环性能及系统集成等方面的挑战。
在低温环境下运行的锂离子电池（LIBs）会出现功率输出下降和容量减少的现象，金属锂枝晶的析出直接导致不可逆容量损失和安全隐患[1]。电动汽车（EVs）在零下环境中行驶里程会减少15%至30%[2]。为解决这些问题，先进的电池热管理系统（BTMS）被采用，其目标在于提升电池寿命、运行效率和安全性[3]。目前关于BTMS的研究大多集中于高温条件[4]，而低温条件下的热管理研究相对较少受到关注。
在低温环境下，温度调控策略同时结合了源自电池欧姆热效应的固有自发热机制和外部热能供应[5]。这种内部自发热机制能以极高的加热速率提升电池温度，具有高能效且损耗极低的特点[6]。但长期的自发热循环可能导致数百至数千次循环后出现显著的容量衰减[7,8]。与之相反，采用外部热源进行预热虽在加热速率上逊于液体加热[9]、热管[10]及混合策略[11]等内部方法，但能实现更均匀的温度分布，并对电池容量产生的负面影响较小。因此，亟需开发一种新型低温预热技术，该技术需兼具快速升温、保证电池整体温度场均匀性以及最大限度降低容量衰减三大特性。作为潜热储存介质的过冷相变材料（PCMs），为寒冷环境下的电池预热提供了创新解决方案[[12], [13], [14]]。然而，过冷相变材料中储存能量的释放具有自发性和不可控性的固有缺陷，且其较低的能量密度难以满足长时间热缓冲需求。
为克服上述局限性同时保留其优势特性，本文提出一种能够提供精确可控且持续热输出的先进加热系统。值得注意的是，共晶镓铟合金（EGaIn）作为一种广泛应用于热管理领域的液态金属（LM），在与多种其他材料结合时表现出显著的复合体系形成倾向[15,16]。根据雷宾德尔效应，EGaIn会渗透铝（Al）并破坏铝表面的自然氧化膜，从而形成LM@Al复合材料。当该复合材料接触水时，会发生氧化还原反应，以热能形式释放大量化学能或电化学能[17,18]，即放热反应：2Al + 6H2O → 2Al(OH)3+ 3H2↑（ΔH = −64 kJ/g）。LM@Al复合材料是一种湿度响应型材料，已应用于寒冷环境中的加热场景（如维持人体体温），在宽温度范围内表现出持久隔热性及快速湿度响应动力学特性[19]。该复合材料的加热速率可通过环境湿度、LM与Al的质量比以及材料厚度等因素进行调控。相比之下，通过添加活性炭可延长热输出持续时间，这归因于活性炭促进了有效供水网络的形成。 （注：根据术语表要求，"Gen"保留原文未翻译；"Action"与"Trigger"未在输入文本中出现，故未使用）然而，未调制的LM@Al反应可能产生超过60°C的局部热点，这超出了锂离子电池的安全阈值[20]。LM@Al通过湿度触发的氧化还原反应提供按需热爆发，随后相变材料作为热电容器发挥作用，吸收峰值热量并实现持续放热，同时将ΔT控制在5°C以内。总之，LM@Al-相变材料复合体所体现的协同整合机制，将可控的湿度触发预热与延长的热量保持特性相耦合。这种双功能机制能快速将电池温度提升至安全操作范围内，同时有效缓解低温环境下通常出现的容量损失问题。
尽管相关研究已取得进展，但在开发一种无需依赖外部电子控制或预处理、能在运行环境中自主触发的快速自热系统方面仍存在显著空白。为填补这一空白，本研究提出了一种新型LM@Al-PCM复合材料，其核心创新在于集成了湿度响应型热源。本研究的主要目标是全面评估该材料在实现快速自热及提升锂离子电池低温循环性能方面的有效性。本研究具有重要价值，因其提出了一种智能刺激响应型热管理策略的概念验证，该策略对提升寒冷气候下电池驱动温控系统的可靠性与工作范围具有显著潜力。第二章详述了材料制备流程及全面表征，同时完整阐述了实验步骤与所用装备。第三章通过讨论所选材料的混合比例、厚度及相应适用温度范围，对其进行了深入分析。该章后续小节专注于解析最优湿度响应控制策略，并评估这一先进预热与绝缘系统在缓解电池容量衰减方面的效能。论文最后对关键实验结果进行了简要总结。
引言
在低温环境下，温度调控策略同时结合了源自电池欧姆热效应的固有自发热机制和外部热能供应[5]。这种内部自发热机制能以极高的加热速率提升电池温度，具有高能效且损耗极低的特点[6]。但长期的自发热循环可能导致数百至数千次循环后出现显著的容量衰减[7,8]。与之相反，采用外部热源进行预热虽在加热速率上逊于液体加热[9]、热管[10]及混合策略[11]等内部方法，但能实现更均匀的温度分布，并对电池容量产生的负面影响较小。因此，亟需开发一种新型低温预热技术，该技术需兼具快速升温、保证电池整体温度场均匀性以及最大限度降低容量衰减三大特性。作为潜热储存介质的过冷相变材料（PCMs），为寒冷环境下的电池预热提供了创新解决方案[[12], [13], [14]]。然而，过冷相变材料中储存能量的释放具有自发性和不可控性的固有缺陷，且其较低的能量密度难以满足长时间热缓冲需求。
为克服上述局限性同时保留其优势特性，本文提出一种能够提供精确可控且持续热输出的先进加热系统。值得注意的是，共晶镓铟合金（EGaIn）作为一种广泛应用于热管理领域的液态金属（LM），在与多种其他材料结合时表现出显著的复合体系形成倾向[15,16]。根据雷宾德尔效应，EGaIn会渗透铝（Al）并破坏铝表面的自然氧化膜，从而形成LM@Al复合材料。当该复合材料接触水时，会发生氧化还原反应，以热能形式释放大量化学能或电化学能[17,18]，即放热反应：2Al + 6H2O → 2Al(OH)3+ 3H2↑（ΔH = −64 kJ/g）。LM@Al复合材料是一种湿度响应型材料，已应用于寒冷环境中的加热场景（如维持人体体温），在宽温度范围内表现出持久隔热性及快速湿度响应动力学特性[19]。该复合材料的加热速率可通过环境湿度、LM与Al的质量比以及材料厚度等因素进行调控。相比之下，通过添加活性炭可延长热输出持续时间，这归因于活性炭促进了有效供水网络的形成。 （注：根据术语表要求，"Gen"保留原文未翻译；"Action"与"Trigger"未在输入文本中出现，故未使用）然而，未调制的LM@Al反应可能产生超过60°C的局部热点，这超出了锂离子电池的安全阈值[20]。LM@Al通过湿度触发的氧化还原反应提供按需热爆发，随后相变材料作为热电容器发挥作用，吸收峰值热量并实现持续放热，同时将ΔT控制在5°C以内。总之，LM@Al-相变材料复合体所体现的协同整合机制，将可控的湿度触发预热与延长的热量保持特性相耦合。这种双功能机制能快速将电池温度提升至安全操作范围内，同时有效缓解低温环境下通常出现的容量损失问题。
尽管相关研究已取得进展，但在开发一种无需依赖外部电子控制或预处理、能在运行环境中自主触发的快速自热系统方面仍存在显著空白。为填补这一空白，本研究提出了一种新型LM@Al-PCM复合材料，其核心创新在于集成了湿度响应型热源。本研究的主要目标是全面评估该材料在实现快速自热及提升锂离子电池低温循环性能方面的有效性。本研究具有重要价值，因其提出了一种智能刺激响应型热管理策略的概念验证，该策略对提升寒冷气候下电池驱动温控系统的可靠性与工作范围具有显著潜力。第二章详述了材料制备流程及全面表征，同时完整阐述了实验步骤与所用装备。第三章通过讨论所选材料的混合比例、厚度及相应适用温度范围，对其进行了深入分析。该章后续小节专注于解析最优湿度响应控制策略，并评估这一先进预热与绝缘系统在缓解电池容量衰减方面的效能。论文最后对关键实验结果进行了简要总结。