关键词：海藻酸钠、纳米碳酸钙、δ-葡萄糖酸内酯（GDL）、烷基多糖苷（APG）

In Situ Generation of Gel Foam via Heat-Accelerated Calcium Ion Release From Nano-CaCO3 for Lithium-Ion Battery Fire Suppression and Prevention

Adv. Sci. 27 September 2026，e77882 

https://doi.org/10.1002/advs.77882

一、研究背景

传统水基灭火剂成本低、冷却效果好，但流动性强，喷射后极易沿电池表面流走，无法长时间附着在电芯表面持续隔热隔氧；商用泡沫灭火剂存在成膜稳定性差、高温下膜层易破损等短板，难以持续抑制热失控传播。刺激响应型高分子凝胶材料可在火灾高温触发下发生相变与交联固化，原位形成防护层，为电池消防提供新思路。海藻酸钠是天然多糖高分子，可与 Ca²⁺发生离子交联形成凝胶，但其交联时序难以精准调控。

本研究构建热触发可控钙离子释放体系，将纳米碳酸钙作为潜伏钙源，搭配 δ- 葡萄糖酸内酯缓释酸化剂，常温体系保持低黏度可发泡状态；高温火情下快速释放 Ca²⁺，原位交联生成海藻酸钠凝胶泡沫，牢牢粘附于电芯表面，实现灭火与长效阻隔，系统评价其灭火性能与热失控抑制能力。

二、实验部分

1、凝胶泡沫前驱液配制

将海藻酸钠（SA）溶于去离子水，依次加入 δ- 葡萄糖酸内酯（GDL）、纳米 CaCO₃粉体，搅拌均匀得到低黏度前驱混合液。常温下纳米 CaCO₃解离缓慢，体系不会提前凝胶。

2、材料表征

采用流变仪监测不同温度下体系黏度变化，验证热触发交联行为；FTIR 表征海藻酸钠与 Ca²⁺交联前后分子结构变化；光学显微镜观察泡沫微观孔结构；差示扫描量热测试组分热稳定性。

3、电池火灾性能测试

开展单电芯灭火实验与多电芯模组热失控蔓延测试。对比水雾、直喷水、商用 AFFF 泡沫以及本研究热响应凝胶泡沫的灭火时间、温度变化、热失控传播情况。

三、结果与讨论

常温条件下，GDL 水解速率慢，体系 H⁺浓度低，纳米 CaCO₃难以溶解，Ca²⁺浓度维持在很低水平，海藻酸钠分子链不会发生交联，前驱液黏度低，易于发泡喷射。当受到高温刺激，GDL 水解急剧加快，体系酸度上升，腐蚀溶解纳米碳酸钙，快速释放大量 Ca²⁺；Ca²⁺与海藻酸钠分子链 G 段发生离子络合，触发原位交联，液态泡沫转变为三维网络凝胶泡沫。

该凝胶泡沫具有良好粘附性，能够紧密附着在电池表面，不会像清水一样快速流淌流失。泡沫内部多孔结构兼具隔热、隔氧、冷却多重功能。电池火灾实验结果表明，该材料可快速熄灭火焰，显著降低电芯表面温度，有效阻断热量向相邻电芯传递，抑制热失控链式传播。对比实验证明其综合防护性能优于水雾、喷淋水以及商用 AFFF 泡沫。

该体系的优势在于温度作为唯一触发信号，常温储存与喷射阶段保持流体特性，遇火才固化成凝胶，兼顾喷射施工性与火灾工况下长效包覆防护能力。

四、结论

本工作开发了一种热触发原位交联海藻酸钠凝胶泡沫消防材料，利用高温加速 GDL 水解，促使纳米碳酸钙释放 Ca²⁺，实现海藻酸钠泡沫在火情处原位固化。该材料常温易发泡，遇火快速转变为粘附型凝胶泡沫，能够高效扑灭锂电池火情，阻断模组内热失控蔓延，性能优于传统水基灭火剂。该热响应凝胶泡沫策略为锂离子电池储能系统的消防安全防护提供了新方案。

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