高含量二氧化硅复合水凝胶：增强机械强度、热管理与耐烧蚀性能的锂离子电池安全材料

第一作者：洪艺文

通讯作者：陆昶*，庞新厂*

单位：河南科技大学

近日，来自河南科技大学陆昶教授团队在Chemical Engineering Journal上发表题为"Ultra-High SiO₂-Loaded Hydrogel with Enhanced Mechanical Strength, Thermal Regulation, and Ablation Resistance for Lithium-Ion Battery Safety"的研究文章。该文章通过将500 wt%纳米SiO₂引入PAM水凝胶基质，构建了具有“硬相（SiO₂网络）-软相（PAM链）”双重网络结构的复合水凝胶（图1）。该材料展现出卓越的力学性能：拉伸强度1.3 MPa（较纯PAM提升33倍）、压缩强度27.75 MPa（提升645倍）、断裂能2.04 MJ/m³（提升1133倍）。此外，其纳米级孔道和结合水显著延长了热平台期（30分钟），并在-10°C下保持柔韧性。高温烧蚀后，残留物形成微/纳分级多孔结构，热导率仅0.104 W/(m ·K)，热释放峰值降低83%。实验证明，该水凝胶可显著延迟锂离子电池热失控的触发与传播，为电池安全提供了新思路。

通过超高负载SiO₂（500 wt %），PAM/SiO₂水凝胶形成致密的双重网络结构（图1）。扫描电镜显示，SiO₂含量增加使孔径从纯PAM的100 μm降至纳米级（图1）。这种结构显著提升了力学性能：PAM/SiO₂-5的拉伸强度达1.3 MPa，压缩强度达27.75 MPa，可承受500g砝码负载（图2）。抗撕裂性能测试表明，其断裂能较纯PAM提升1133倍，归因于纳米孔道分散应力及多重能量耗散机制。

优异流动性：未交联AM/SiO₂-5悬浮液经超声处理后粘度显著降低，可轻松灌注填充复杂模具，静置12小时后仍保持流动性（图3）剪切变稀特性：悬浮液粘度随剪切速率增加快速下降，500 wt %样品经超声处理后仍具良好加工性（图3）固化可控：通过调节温度、引发剂等参数可精准控制固化时间，满足工业化生产需求。

DSC测试表明，高SiO₂含量水凝胶的结合水汽化温度升高（图4），热平台期延长至30分钟（图4）。在150°C热台上，PAM/SiO₂-5上下表面温差达17°C，显著优于低SiO₂样品（图4）。此外，-10°C下仍保持柔韧性（图4），归因于纳米孔道抑制冰晶生长。

TG分析显示，PAM/SiO₂-5烧蚀残留率达72.28%（图5）。残留物具有微/纳分级孔隙，热导率仅0.104 W/(m·K)，热释放峰值54.3 kW/m²（图5）。丁烷火焰烧蚀测试中，2 mm厚样品背面温度40分钟内低于300°C（图6），有效阻隔火焰蔓延。

圆柱形和方形电池热失控实验表明，PAM/SiO₂-5将热失控时间延长94.7%-107.7%（图7）。其通过水汽化吸热和SiO₂隔热层协同作用，延缓热量扩散（图7），为应急响应争取时间（图7）。

Ultra-High SiO₂-Loaded Hydrogel with Enhanced Mechanical Strength, Thermal Regulation, and Ablation Resistance for Lithium-Ion Battery Safety

（DOI: 10.1016/j.cej.2025.166639）