中国矿业大学刘昌会/长沙理工大学肖俊兵/香港浸会大学汪君Advanced Science：氢键增强本征阻燃固–固相变材料助力电池热管理

转自 传热传质青年工作组

研究背景

相变材料能够在相变过程中吸收或释放大量潜热，在电池热管理、建筑节能和热能储存等领域具有广阔应用前景。然而，传统有机相变材料普遍存在熔融泄漏和易燃问题，不仅影响储热性能与使用稳定性，还可能带来安全隐患。现有封装、交联及阻燃改性方法虽然能够改善上述问题，但往往面临制备过程复杂、依赖催化剂或有机溶剂，以及阻燃组分添加导致储热能力下降等挑战。

针对上述问题，中国矿业大学低碳能源与动力工程学院刘昌会团队联合长沙理工大学肖俊兵、香港浸会大学汪君，在国际知名期刊《Advanced Science》发表研究论文，提出了一种基于多组分反应的本征阻燃固–固相变材料制备策略。研究通过分子结构设计，将储热、防泄漏与阻燃功能集成于同一材料体系，其中胺类和硫醇类路线可在无催化剂、无溶剂条件下完成一步合成。所得材料最高相变潜热达到133.87 J/g，并在电池温度调控和阻燃涂层实验中展现出良好的应用潜力。

研究内容

研究团队以苯甲醛、亚磷酸二甲酯和长链醇、胺或硫醇为原料，通过“一锅法”构建系列含磷相变材料。其中，长链胺和硫醇具有较高的亲核反应活性，可在无需外加催化剂的条件下实现反应；醇类路线则需要FeCl₃催化。该策略通过引入含磷基团赋予材料本征阻燃特性，同时利用氢键、P═O相关相互作用及长链间作用增强分子间结合，使部分产物在相变后仍保持固态，实现储热与形态稳定性的协同。

图1 相变材料的分子设计、三组分合成路线及储热与阻燃机制示意图

研究采用傅里叶变换红外光谱、核磁共振、高分辨质谱及X射线衍射等方法，对产物结构进行了系统表征。结果表明，原料中的特征官能团发生变化，产物中出现与目标结构相对应的信号，证实了三组分反应的有效性。扫描电子显微镜观察发现，相较于十八胺较为疏松的微观结构，其衍生产物SP10呈现更致密、规则的颗粒形貌，反映出反应后分子间结合得到增强。

图2 产物结构与微观形貌表征：a) 分子结构；b) 红外光谱；c，d) 核磁共振分析；e) X射线衍射；f) 扫描电子显微镜图像

热物性测试表明，通过调节长链原料的种类及碳链长度，系列材料的起始相变温度可在−43.28～38.38°C范围内调节，最高相变潜热达到133.87 J/g。随着碳链增长，分子间作用及链段有序性增强，材料的相变温度、潜热和黏度整体呈上升趋势，产物形态逐渐由液态向凝胶态及固态转变。

同时，部分产物的导热性能得到改善，最高热导率达到0.266 W/(m·K)。在高于各自相变峰温度10°C的条件下加热30 min后，SP3和SP10未观察到明显泄漏，而原料十八胺在加热10 min后便出现明显泄漏，体现出分子结构调控对形态稳定性的改善作用。

图3 系列材料的热物性与防泄漏性能：a–c) 相变温度与潜热；d) 热导率；e) 黏度；f) 相变后的宏观形态；g) 泄漏测试

研究进一步以SP10为代表，分析其固–固相变行为及阻燃性能。变温偏光显微镜观察显示，十八胺升温至80°C时已完全熔融，而SP10在85°C下仍保持固态，冷却后也未出现明显的晶体形貌变化。

在SP10与酚醛树脂按质量比1∶1混合的锥形量热测试体系中，相较于原料对照体系，点燃时间由13 s延长至27 s，峰值热释放速率降低约37.6%，总热释放量和总耗氧量分别降低约29.8%和27.3%。研究认为，含磷结构能够促进燃烧过程中保护性炭层的形成，并与含氮结构协同抑制燃烧，从而改善材料的火安全性能。

图4 材料的固–固相变行为、热稳定性及阻燃性能：a) 变温偏光显微镜图像；b) 热循环曲线；c，d) 热重分析；e–g) 点燃时间、热释放及耗氧量等燃烧特征

在应用验证中，研究团队将材料用于电池热管理实验。温度曲线显示，对照组达到约70°C的时间为6070s，采用相变材料后延长至14634s，约为对照组的2.4倍，表明其能够通过相变吸热有效延缓电池温升。

此外，SP10与酚醛树脂形成的复合材料具有一定柔性和黏附性，可作为木质模型的阻燃涂层。在燃烧实验中，未涂覆模型约100s时已坍塌，而涂覆模型在相同时刻仍保持主体结构，最终燃尽时间延长至456s，展示了储热与阻燃功能结合的应用潜力。

图5 材料的应用验证：a) 防护织物阻燃演示；b，c) 电池热管理装置及温度调控效果；d) 复合涂层的柔性与黏附性；e) 木质模型燃烧对比

总结与展望

本研究围绕有机相变材料易泄漏、易燃及制备过程复杂等问题，提出了一种基于三组分反应的本征阻燃固–固相变材料设计策略。通过将含磷基团引入分子结构，并利用氢键、P═O相关相互作用及长链间作用增强分子间结合，实现了储热性能、形态稳定性与阻燃功能的协同优化。主要结论如下：

1. 以苯甲醛、亚磷酸二甲酯及长链胺或硫醇为原料，可在无催化剂、无溶剂条件下通过“一锅法”完成合成，将阻燃组分直接引入相变分子结构，为减少外加阻燃剂及简化制备流程提供了新的途径。

2. 通过改变原料种类及碳链长度，系列材料的起始相变温度可在−43.28～38.38°C范围内调节，最高相变潜热达到133.87J/g。代表性样品SP10在升温过程中仍能保持固态，体现出良好的形态稳定性，为适应不同温度需求的热管理场景提供了材料选择。

3. 含磷结构与胺类产物中的含氮结构协同发挥作用，促进保护性炭层形成并抑制燃烧。在所采用的复合测试体系中，点燃时间由13 s延长至27 s，峰值热释放速率、总热释放量及总耗氧量分别降低约37.6%、29.8%和27.3%，表明该策略能够有效改善材料的燃烧行为。

4. 电池热管理实验中，采用相变材料后，电池达到约70°C的时间由6070s延长至14634s，展现出延缓温升的能力。与酚醛树脂复合后，材料还表现出一定的柔性与黏附性，并在木质模型燃烧实验中有效延缓结构破坏，拓展了其作为多功能防护涂层的应用可能。

总体而言，该工作将相变储热、分子间作用调控与本征阻燃设计相结合，为高安全性固–固相变材料的开发提供了新的思路。其意义不仅在于改善单一储热指标，更在于从分子层面兼顾形态稳定性与火安全性，为相变材料在新能源电池热管理、建筑节能及防护涂层等领域的应用提供了新思路。

未来，可进一步围绕导热性能提升、长期服役稳定性及规模化制备开展研究，并结合实际电池模组的充放电工况、界面接触条件和热安全需求优化材料与结构设计。同时，该体系可调的相变温度及多样化的分子结构，也为拓展低温储能、电子器件温控以及与热电转换器件耦合等应用提供了探索空间。

论文信息

Liu, C., Liang, G., Liu, Y., et al. Hydrogen-Bond Enabled Phosphite Based Intrinsic Flame-Retardant Solid-Solid Phase Change Materials Using Catalyst/Solvent-Free Multi-Component Reaction for Battery Thermal Management. Advanced Science (2026), e77157.

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.77157

作者介绍

论文署名首位作者为中国矿业大学刘昌会，通讯作者为中国矿业大学刘昌会、长沙理工大学肖俊兵及香港浸会大学汪君。梁广源承担了初稿撰写、研究方法等工作。本研究获国家自然科学基金项目（51906252、52206192、52506290）资助。

第一作者：刘昌会，中国矿业大学低碳能源与动力工程学院副教授、储能科学与技术研究所所长。2016年博士毕业于华中科技大学，曾任日本东京大学特任研究员。主要从事储热及热安全方面教学与科研工作。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Science, Small和International Journal of Heat and Mass Transfer等国际高水平期刊发表SCI论文100余篇，其中封面论文5篇、高被引论文6篇，获授权发明专利20余件。连续三年入选斯坦福大学全球前2%科学家榜单，曾获青海省科学技术三等奖，江苏省高等学校科学技术研究成果奖三等奖、江苏省工程热物理学会科学技术二等奖等。

联系方式：liuch915@cumt.edu.cn

共同通讯作者：肖俊兵,长沙理工大学能源与动力工程学院副教授，湖南省电池行业协会标准技术委员会专家。主要从事多相流传热传质与储能方面的教学与科研工作。主持国家自然科学基金面上/青年、湖南省自然科学基金、省教育厅优青项目、中国科学院/湖南省重点实验室开放基金、校企合作项目等。参与国家重点研发计划国际合作项目、湖南省重点研发计划等项目。发表论文30余篇，授权发明专利多项。研究成果获中国可再生能源学会科技进步奖二等奖。

联系方式：xjb1th@csust.edu.cn

共同通讯作者：汪君，香港浸会大学化学系讲座教授、香港青年科学院院士、中国化学会高级会员。博士毕业于香港理工大学，曾于美国得克萨斯大学西南医学中心从事博士后研究。主要从事不对称催化、绿色化学及药物化学等领域研究，以通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Science Advances和Advanced Science等国际高水平期刊发表多篇论文。曾获Thieme Chemistry Journals Award、香港浸会大学杰出研究成果奖，并获选香港研究资助局2025/26年度高级研究学者。

联系方式：junwang@hkbu.edu.hk

学生第一作者：梁广源，中国矿业大学低碳能源与动力工程学院2026届硕士毕业生，现于重庆大学攻读博士学位。以第一作者在Advanced Science, Small等国际高水平期刊发表SCI论文4篇，以共同作者发表SCI论文11篇，获评中国矿业大学2026届优秀毕业生。