氣凝膠隔熱材料在動力電池中的應用

關鍵詞：氣凝膠；隔熱性能；動力電池；安全

0 前言

新能源汽車的發展是國家能源戰略的體現之一，也是實現2060 年“ 碳中和”目標的重大戰略方式［1］。動力電池是新能源汽車能源與動力的核心，影響著整車的性能、安全、經濟等重要指標。而動力電池的安全性能是其最關鍵的指標之一，緊密關聯著乘客的新能源汽車人身與財產安全。

動力電池熱失控所誘發的問題往往是造成新能源汽車安全事故最主要的原因之一［2］，也是如今各大鋰離子電池生產企業亟需攻克的技術難題。動力電池熱失控是指電池單體不斷發熱引發連鎖反應，通常由機械、電、熱等因素誘發［3］，導致電池溫度不斷上升的現象。動力電池熱失控處理不及時，最終會引起火災、爆炸等安全事故。GB 38031—2020《 電動汽車用動力蓄電池安全要求》指出，當電池因熱失控而導致熱擴散時，應在發生危險的5 min 內容提供報警信號，即延緩熱蔓延至5 min以后，給予一定的逃生響應時間。行業內通常會通過各種方式，將熱蔓延控制在5 min 以后。隨著技術的進步及人們安全需求的不斷提升，5 min 已經難以滿足安全需求，因此在標準的基礎上也會要求整體不發生熱蔓延。合理地延緩熱失控發生而導致的蔓延時間，甚至是阻隔熱蔓延，是動力電池安全保障的首要前提。

熱蔓延的防控方法主要分為被動防控、主動防控及復合防控［4］。被動防控主要是使用隔熱材料充當隔熱層，當單體電芯發生熱失控后，通過隔熱材料阻隔熱量向周圍電芯擴散，從而抑制熱蔓延的產生。主動防控則是在電池底部增加液冷板，通過不斷流動的冷卻液，將熱量帶走，從而有效阻擋溫度的升高。常潤澤［5］通過有、無隔熱層的對比試驗證明，有隔熱層的電池模組其各節電池平均熱蔓延時長和模組整體熱蔓延時長均長于無隔熱層的模組。通過該試驗也可以看出，隔熱層是影響熱蔓延的重要因素之一，其存在大大降低了熱蔓延的擴散速度，延緩擴散時間。

隔熱材料主要分為傳統隔熱材料與氣凝膠。傳統隔熱材料包括泡沫板、玻璃纖維棉、真空絕熱板等，但其隔熱性能、物理性能、環保性能難以滿足需求，氣凝膠則具備優秀的阻燃性能、良好的隔熱性、無污染、長壽命、輕質量等優點，因此廣泛應用于動力電池中［6］。氣凝膠隔熱材料能有效應對熱蔓延問題，提高新能源汽車的安全性能，只有妥善解決動力電池的安全問題，才能促進新能源汽車的市場份額，提高市場占有率，成為更多人購車的首要選擇，以此充分響應國家能源的戰略需求，為實現“碳中和”的目標奠定基礎。

1 氣凝膠的制備及性能

氣凝膠誕生于1931年，其商業化應用于2001年，并廣泛應用于航空航天、管道輸送、軍事等領域［7］。氣凝膠是一種納米級別的特殊固體材料，具有多孔的表面結構，它是一種由SiO2 凝膠制得的，其中凝膠的大部分由氣體組成，因此呈現出多孔結構，而固體的體積只占很小的一部分。

氣凝膠材料的制備過程主要有溶膠與凝膠化、老化、改性和干燥［7］等步驟。溶膠與凝膠化是通過加入催化劑，使得前驅混合物充分形成凝膠的過程。隨后通過醇類和烷類溶劑的洗滌，去除凝膠中多孔結構中的水，在改善其微觀結構的同時，也使凝膠充分老化，便于后續進一步加工。

氣凝膠的制備過程大體可以分為2 個部分，即前期混合與后期干燥。其中，最重要的就是干燥過程，干燥即分離凝膠混合物中的液體。凝膠混合物中的液體通過超臨界或者常壓干燥等方式進一步被剝離開來，留下多孔、塊狀的納米材料。超臨界干燥主要是以醇類作為干燥介質，但是該技術具有一定的風險性，而如今以CO2作為干燥介質替代的低溫、超臨界干燥技術，通過減緩干燥壓力，降低臨界溫度進一步規避風險的產生［7］。而常壓干燥則是以低表面張力的介質置換凝膠混合物中的液體部分，余留骨架結構，實現干燥過程。干燥之后的固體則為最終的氣凝膠。

2 氣凝膠的優點及應用情況

2. 1 氣凝膠的性能

依據氣凝膠的結構特點可知，其內部多孔的網狀結構決定其具有隔熱、透氣等性質。這是由于空氣的導熱系數較低，同時孔狀結構使得空氣的流通更加順暢，使得氣凝膠兼具隔熱與透氣特性。SiO₂還是很好的防火材料，微觀結構也決定了其宏觀具有較好的防火特性。此外，氣凝膠在延展性、隔聲、吸附、使用壽命等多個維度都具有十分優異的性能［7］。

2. 2 氣凝膠的常見應用

氣凝膠依據其優異的特性，廣泛應用于新能源汽車、航空航天、能源化工等領域。

在新能源汽車領域中，氣凝膠由于其優異的隔熱、阻燃、防火性能，極大程度地阻擋熱蔓延的發生。另外，基于其可壓縮性的存在，氣凝膠可以在模組中起到緩沖及承受部分預緊力的作用。

在航空航天領域極端的飛行條件影響下，輕質、高隔熱效率的材料是航空飛行器的關鍵防護性能指標，氣凝膠則具備高硬度、耐高低溫、低密度、低導熱等性能。此外，大到航天器的整體，小到其中的局部系統元器件，通過氣凝膠均能實現防護目的。因此，氣凝膠被認為是一種理想的航空材料。

在能源化工領域高低溫交變的惡劣環境下，能源的輸送、基礎設施的運作都會受到一定程度的影響，而傳統材料往往在保溫、隔熱、使用壽命等方面有所欠缺。氣凝膠相較于傳統材料在性能方面則具有更加明顯的優勢。

此外，氣凝膠涉及范圍廣泛，在軍工、建筑、醫療、服飾等領域都有所應用，具有良好的應用前景。

3 不同材質氣凝膠的隔熱性能對比

氣凝膠在動力電池中具有重要的應用價值，其出色的隔熱性能使其在鋰離子電池中有著廣泛的應用。然而，氣凝膠又包含了很多類別，常見的有納米玻璃纖維氣凝膠、陶瓷氣凝膠、預氧化絲氣凝膠3 種［5］。各類型氣凝膠的性能、價格等也不盡相同。因此，依據不同動力電池的特點，選擇性價比適宜的氣凝膠，一方面能幫助企業降低成本，另一方面大大保障了動力電池的安全性，降低熱失控所帶來的風險。

為了研究氣凝膠的隔熱性能，常潤澤［5］選擇對電池模組進行研究，模擬實際情況下的小型電池模組，對比在單體電芯觸發熱失控的情況下，從觸發電芯到相鄰電芯，不同氣凝膠材料（厚度為2 mm）的抑制熱蔓延時間，進一步比較其性能指標。性能指標越好，該材料抑制熱蔓延的時間越長，理想情況下，當性能達到極致時，能夠完全將熱量隔離開來，熱蔓延時間則趨于無窮大，即不會發生熱蔓延。氣凝膠隔熱性能對比試驗如圖1 所示。

由于只研究觸發電芯到相鄰電芯之間的熱蔓延情況，特別是兩者間材料的作用，本研究中的試驗采用小模組來模擬實際情況。另外，失控電芯的觸發方式不同，對熱蔓延整體效果也有所影響。試驗采用一側單體電芯加熱的觸發方式，其試驗結果表明，3 種隔熱材料的熱蔓延抑制時間有所不同。納米玻璃纖維氣凝膠的平均熱蔓延抑制時間為373 s，陶瓷氣凝膠的平均熱蔓延抑制時間為756 s，預氧化絲強化氣凝膠的熱蔓延抑制時間為1 045 s［5］。其中，預氧化絲強化氣凝膠的性能最優，陶瓷氣凝膠的性能次之。而熱失控的抑制情況不僅與材料相關，還與試驗情況、外界環境、測量方式、氣凝膠厚度等有關。依據現如今技術的進步與發展，陶瓷氣凝膠在性能方面已經有了巨大進步，雖然納米玻璃纖維氣凝膠的隔熱性相對而言并不突出，但是相對較低的價格使其在某些特定的場合仍然會成為首選。

4 氣凝膠的研究方向

由于氣凝膠的性能出眾，其在各領域都有不錯的應用成效，特別是在動力電池領域，具有十分重要的應用前景。但是，較高的成本很大程度上限制了氣凝膠在動力電池領域的市場應用。在動力電池領域，氣凝膠主要貼合于方形電芯表面，動力電池的電芯數量可以達到幾十甚至上百個，因此氣凝膠的使用數量也會達到幾十上百塊，但過高的費用會導致電池整包的費用增加。降低氣凝膠成本，能大大降低電池整包成本。

氣凝膠的研究方向是降低其使用成本，精簡工藝流程，提高生產的自動化程度，大大壓縮成本空間，為動力電池領域帶來更深入、更廣泛的應用前景。同時，提升隔熱性能，保障動力電池的安全性也是氣凝膠的重要研究方向。

目前，氣凝膠的研究主要集中在制備工藝上的更迭交替，對于其背后深層次的作用機理研究尚不成熟，因此需要從微觀層面加強研究，特別是分子與原子層面的研究，以實現宏觀的性能飛躍，例如加強磁性、半導體材料等研究［7］。加強對氣凝膠材料微觀層面的研究對于推動材料科學發展、優化材料性能、拓展應用領域，以及解決實際問題等都具有重要的意義。

隨著各大企業對熱失控蔓延的嚴格要求，基于安全、社會情況、技術發展而言，氣凝膠應該順應技術的革新，大力投入研發。目前，氣凝膠以有機醇鹽類作為原料的研究較多［6］，可以在此基礎上拓展原料的選擇范圍，找尋全新的復合類氣凝膠材料，更廣泛的原材料選擇能夠為氣凝膠的制備提供更多的靈活性。探索新型和復合類氣凝膠材料可能會引發新的性能突破，包括更高的吸附能力、更低的密度、更好的熱絕緣性等，從而推動氣凝膠在各領域的廣泛應用。此外，如果能夠找到更經濟實惠的原材料，將有助于降低氣凝膠的制備成本，使其更具競爭力。

5 結語

本文強調了氣凝膠在新能源汽車動力電池領域的重要性，特別是在防止動力電池熱失控和提高電池安全性方面的作用。介紹了氣凝膠的制備過程和應用領域，分析了不同類型氣凝膠材料與其隔熱性能的差異性，這對于提高動力電池的安全性具有重要意義。降低氣凝膠制備成本、提高其隔熱性能、深入研究其微觀機理，以及拓展其原材料來源等是未來的研究方向。這些研究將有助于推動氣凝膠在新能源汽車、航空航天、能源化工等領域的廣泛應用。總之，氣凝膠作為一種創新性材料，具有巨大的發展潛力，后續應進一步推動氣凝膠的研究和應用。