热失控实验示意图随着微电子学和电动汽车等行业的快速发展，高能量密度和高输出功率电池已越来越广泛地被使用。一方面，这些电池可能在高温下工作。另一方面，这些电池在快速充电/放电过程中会产生大量热量。高温下的工作条件将永久降低电池性能。在极端情况下，它还会引起火灾和爆炸。面对这些问题，高能量密度和大功率电池热管理已成为电池实际应用中急需解决的关键方向。近日，南洋理工大学范宏进教授团队和武汉大学动力与机械工程学院研究员刘康团队从电池设计和开发的角度出发，开发了基于智能吸湿水凝胶电解质的热自我保护装置。结合汗水冷却机制。锌离子电池。相关研究结果发表在“先进能源材料”中。研究表明，当电池在高温下工作时，水凝胶中的水会迅速蒸发，并且凝胶电解质的离子扩散系数会逐渐降低，从而抑制了离子在正极和负极之间的迁移，电池的容量将逐渐减小，直到电池停止工作为止，以达到自我保护的目的。当温度恢复正常时，水凝胶电解质会自发吸收空气中的水分并恢复其原始状态。据报道，热自保护锌离子电池的阳极是泡沫锌，阴极是MnO2 /碳布纤维，阳极和阴极之间的吸湿性水凝胶用作电解质和隔膜，聚丙烯酰胺水浸泡在ZnCl2溶液中的凝胶电解质组合物，可以通过ZnCl2溶液的浓度来调节饱和蒸气压。在25°C时，水凝胶的饱和蒸气压接近环境中水蒸气的分压，水凝胶与周围环境之间的水平衡，并且凝胶质量在10天内几乎保持不变。另外，高温会破坏这种湿度平衡。当温度升至50°C时，水凝胶会迅速失去水分；当温度恢复到25°C时，水凝胶会通过吸收环境中的水自动返回其初始状态。在高温下，由于热效应，凝胶的离子扩散系数会增加一段时间。随着高温的继续，离子扩散系数最终将显着降低。为了演示电池的热自我保护功能，作者还使用加热器模拟高温环境。当加热器设定为70°C时，MnO2阴极的温度为50.5°C，电池的表面温度远低于加热板的温度。水凝胶电解质中的水通过多孔MnO2电极蒸发，带走一部分热量，实现自发冷却功能。当电池突然暴露于高温环境中时，随着离子扩散系数的增加，电池容量将略有增加。但是，如果电池长时间暴露在高温环境中，电池容量将逐渐降低，直到停止工作为止。当温度恢复正常时，水凝胶电解质会自发吸收空气中的水分，并且电池在3小时后逐渐恢复运行，其容量几乎与初始状态相同。值得注意的是，凝胶电解质的聚合物主链不是唯一的。作者还尝试将通过化学交联法制备的聚乙烯醇水凝胶用作电解质，这也可以实现锌离子电池的热自保护功能。这证明智能吸湿性水凝胶电解质可用作电池热自我保护的一般策略。这种结构为当前高能量密度和高输出功率电池的设计提供了新的热保护思想，并且在微电子器件和电动汽车电池的热设计领域具有巨大的潜力。