Dual-Network Aerogel-Based Thermal-Safety Management System Design for Electric-Aircraft Battery Packs: Efficient Heat Management and Runaway Protection
Jie Yang, Yueyue Xiao, Mingyuan Yan, Xu Huang, Longlong Li, Zhongxin Zhang, Xudong Cheng, Heping Zhang*, Yuelei Pan*
Nano-Micro Letters (2026)18: 447
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02296-4
1. 三明治双网络，一体成型：通过原位沉积与一体化超临界干燥构筑“炭气凝胶—硅铝气凝胶片—炭气凝胶”(CA–SAAS–CA)结构。芯层SAAS在1000 °C下保持0.0652 W·m⁻¹·K⁻¹的低导热系数，兼具高温隔热与轻量化特征。
2. 正常散热与极端隔热，同时兼顾：CA&SAAS与液冷耦合构建电池热安全管理系统(BTSMS)，兼顾面内均温、持续散热与电芯间热阻隔。1C充放电循环下，最高温度和最大温差分别控制在34.9 °C和1.8 °C；数值仿真模拟表明，优化条件下3C工况峰值温度可控制在45 °C左右。
3. 全尺寸航空舱验证，阻断热失控传播：在全尺寸航空环境模拟舱的三电芯受限空间实验中，BTSMS可有效阻断热失控传播。
随着eVTOL等电动航空平台快速发展，高倍率运行与受限舱段散热不足易加剧电池热积聚甚至诱发热失控。针对液冷难以阻断热失控传播、传统隔热材料又限制正常散热的矛盾，中国科学技术大学张和平团队提出功能分区式热调控策略：利用外层炭气凝胶实现面内热扩散、芯层硅铝气凝胶片实现厚度方向热阻隔，并与底部循环液冷耦合，构建兼具主动散热与被动隔热功能的电池热安全管理系统(BTSMS)。
中科大张和平团队构筑了一体化三明治双网络气凝胶(CA&SAAS)，由两侧炭气凝胶(CA)与莫来石纤维增强硅铝气凝胶芯层(SAAS)组成，整体密度仅0.275 g·cm-3，比表面积达626.37 m²·g⁻¹。正常工况下，CA实现面内均热并将热量导向液冷系统；热失控条件下，SAAS抑制电芯间横向传热，CA与冷板协同移除余热，从而实现主动散热与被动隔热的协同调控。多尺度实验及全尺寸航空环境模拟舱验证进一步表明，该体系具有良好的系统应用潜力。
I 一体化三明治架构：让“散热”和“隔热”各司其职
如图1所示，研究在莫来石纤维骨架内原位构筑硅铝凝胶网络，并经表面前驱体沉积、超临界干燥及500 °C氩气热处理，形成CA–SAAS–CA三明治双网络结构。该结构通过功能分区实现协同热调控：外层CA促进面内热扩散与温度均化，SAAS芯层抑制厚度方向传热；进一步与液冷耦合后，BTSMS可在正常工况下实现均热排热，并在热失控条件下削弱电芯间热耦合。
图1. CA&SAAS的制备过程、微观双网络结构及其在电动航空电池热安全管理中的应用概念。
II 多尺度表征：双网络并非“拼接”，而是稳定共存
XPS表明，CA&SAAS中C、O、Si和Al等元素稳定共存，且炭层引入未明显改变Si–Al–O网络的主体化学环境。XRD与FTIR进一步证实无定形SiO₂、莫来石晶相以及Si–O–Si、Si–O–Al和炭骨架结构的存在。结合截面元素分布结果，可确认材料形成表层炭网络与内部硅铝多孔网络的空间分区结构，为面内热扩散与厚度方向热阻隔提供结构基础。
图2. CA&SAAS的XPS、XRD与FTIR表征，验证炭网络和硅铝无机网络的稳定共存。
III 1000次压缩循环：面向航空振动环境的结构韧性
电动航空器长期承受振动与周期载荷，因此隔热材料需兼具轻质、低导热与循环力学稳定性。CA&SAAS在30% 压缩应变下经历1000 次加载–卸载循环后，最大应力仍达63.75 kPa，高度保持率为92.5%；约300次循环后，弹性模量稳定在203.26 kPa，能量损失系数约为0.203，表现出良好的抗疲劳性能。DMA结果进一步表明，在30–400 °C及不同频率范围内，材料均保持稳定的力学响应。其循环稳定性主要源于莫来石纤维骨架的承载作用与硅铝气凝胶网络的桥联约束，为航空电池长期振动环境下的热防护应用提供了力学基础。
图3. CA&SAAS在30%应变下的1000次循环压缩性能及不同温度、频率下的动态力学响应。
IV 高温隔热：从200 °C热板到1300 °C火焰
在200 °C热板测试中，CA&SAAS受热约9 min后趋于稳态，冷侧平均温度仍低于70 °C，温差约130 °C；在1200–1300 °C丁烷火焰连续冲击11 min后，背面温度瞬态峰值约210 °C，随后降至约118 °C，表现出优异的高温隔热与热冲击耐受性。TG与高温处理后的XRD进一步表明，CA&SAAS在约450 °C以下具有良好的热稳定性，经800–1200 °C处理后，Al₂O₃逐渐向稳定的α-Al₂O₃转变，而SiO₂仍以无定形结构为主。SAAS在100和1000 °C下的导热系数分别仅为0.0165和0.0652 W·m⁻¹·K⁻¹；经历1000 次、30%应变压缩后，100 °C导热系数仅升至0.0174 W·m⁻¹·K⁻¹。其优异隔热性能主要源于CA对热辐射的削弱、纳米孔的Knudsen效应以及曲折骨架对固相传热路径的延长。
图4. CA&SAAS的热稳定性、热板与火焰隔热表现、导热系数随温度变化及多级传热抑制机理。
V 正常工况热管理：既要降峰温，也要控温差
研究在全尺寸航空环境模拟舱内搭建三电芯模块，对比Blank、CP、CA&SAAS、CP+MF及BTSMS的热管理性能。1C循环中，Blank组最高温度/最大温差为65.2 °C/3.5 °C；CP组峰值温度降至34.9 °C，但最大温差增至4.1 °C；CA&SAAS 组峰值温度为56.7 °C，而最大温差仅1.8 °C，体现出良好的面内均热能力。BTSMS则同时实现34.9 °C的低峰温和1.8 °C的低温差，相较Blank组峰值温度降低46.5%，相较CP组温度不均匀性降低56.1%。进一步基于Bernardi产热模型建立并验证数值模型，2C工况下充、放电峰值温度误差分别为1.4%和8.2%；预测在3C、−10 °C冷板及10 L·min⁻¹流量条件下，模块峰值温度可维持在约45 °C，表明BTSMS具备良好的高倍率热调控能力。
图5. 全尺寸航空环境模拟舱内的热管理实验、不同构型温升对比以及2C/3C工况预测。
VI 热失控传播抑制：从“延缓”走向“阻断”
在全尺寸航空环境模拟舱内，研究通过加热板触发首个电芯热失控，并对比不同热防护构型。CA&SAAS单独使用时，可将首个电芯向相邻电芯的热失控传播时间延长至1093 s，但受限空间内热量持续积聚，仍无法彻底阻断传播。BTSMS则表现出显著优势：首个电芯热失控后，第二、第三电芯均未发生热失控，且峰值温度由Blank、CP和CA&SAAS组的914.6、820.6和914.0 °C降至684.1 °C；重复实验中峰值温度为739.7 °C，仍成功阻断传播。其热安全机制源于SAAS削弱电芯间热耦合，CA/冷板通道持续分散并移除热量，从而实现热阻隔、热扩散与热移除的协同调控。
图6. 不同热安全构型下的热失控传播现象、温度演化及BTSMS重复验证结果。
VII 总结
该研究针对电动航空电池在受限空间内正常工况高效散热与极端工况高效隔热的双重需求，构筑一体化双网络气凝胶(CA&SAAS)，并与液冷板耦合形成BTSMS。通过CA面内均热、液冷板持续排热及SAAS厚度方向热阻隔，实现热流协同调控。BTSMS在1C循环下将最高温度和最大温差分别控制在34.9 °C和1.8 °C，优化3C工况下峰值温度可维持在约45 °C；同时，在全尺寸航空环境模拟舱的三电芯实验中成功阻断热失控传播。该研究实现了从材料设计、传热调控到系统验证的协同，为受限空间高能量密度电池的热安全管理提供了新的设计思路。
张和平
本文通讯作者
中国科学技术大学 二级教授
▍主要研究领域
主要从事飞机、复杂建筑、工业场所、地铁等领域的消防与应急救援理论研究和技术装备研发。
▍主要研究成果
中国科学技术大学讲席教授，中国科学院特聘研究员核心骨干，百千万人才工程国家级人选，享受国务院政府特殊津贴。曾任中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室主任/党委书记、热安全技术国家地方联合工程研究中心主任、国家安全生产专家组专家。现任中国科学院热安全工程技术研究中心主任，兼任国务院学位委员会第八届学科评议组(安全科学与工程组)成员/秘书长、中国航空工业集团飞机精准火灾探测联合技术中心副主任等职务。
▍Email：zhanghp@ustc.edu.cn
潘月磊
本文通讯作者
中国科学技术大学 副教授
▍主要研究领域
气凝胶热防护材料、电池安全材料、火灾防控技术及应用。
▍主要研究成果
2015 年于中国地质大学获学士学位，2020 年于中国科学技术大学获博士学位。博士毕业后，主要从事热安全功能材料相关研究。2024 年起任职于中国科学技术大学，副教授。已发表论文60余篇，H指数30。
▍Email：panyl@ustc.edu.cn
撰稿：原文作者
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