如今，熱失控是動(dòng)力電池安全事故的主要原因。高能量密度下，由于電池批次一致性、材料自身熱穩(wěn)定性、電池各組分間兼容性以及電解液高度易燃性等原因都會(huì)導(dǎo)致電池起火或爆炸。而在電池單體發(fā)生熱...

如今，熱失控是動(dòng)力電池安全事故的主要原因。高能量密度下，由于電池批次一致性、材料自身熱穩(wěn)定性、電池各組分間兼容性以及電解液高度易燃性等原因都會(huì)導(dǎo)致電池起火或爆炸。

而在電池單體發(fā)生熱失控后，要求電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸。要實(shí)現(xiàn)“5min 的安全逃逸時(shí)間”，則需要對(duì)電池包的隔熱材料做改進(jìn)，延緩故障電池包的爆炸時(shí)間。

隨著中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)和儲(chǔ)能鋰電市場(chǎng)持續(xù)快速增長(zhǎng)，鋰電池?zé)峁芾碜枞几魺岵牧鲜袌?chǎng)需求將呈現(xiàn)出井噴的發(fā)展趨勢(shì)。

熱管理材料

阻燃泡棉價(jià)格低廉，柔韌性好，尺寸設(shè)計(jì)對(duì)于PACK方案靈活性高。目前阻燃泡棉以硅膠泡棉應(yīng)用為主，主要用于電池包密封，以及部分車型的模組及電芯之間。但由于阻燃溫度低，阻燃泡棉的使用比例逐步下降。

云母片有較好的耐沖擊和絕緣性，主要用于模組與上蓋板之間，隨著對(duì)電池輕量化和耐高溫性能的要求進(jìn)一步提升，陶瓷化硅橡膠復(fù)合材料有望部分替代云母片安全件。

氣凝膠是新一代高效節(jié)能隔熱材料，與傳統(tǒng)保溫材料相比，二氧化硅氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統(tǒng)材料的2-8倍，因此在同等保溫效果下氣凝膠用量更少。此外，氣凝膠具備較長(zhǎng)的使用壽命的優(yōu)勢(shì)，其使用壽命約為傳統(tǒng)保溫材料的4倍左右。

出于對(duì)體積能量密度的追求，鋰電池廠在Pack設(shè)計(jì)時(shí)給電芯之間隔熱層預(yù)留的空間并不大，氣凝膠兼具阻燃性能好及用量少的特點(diǎn)，成為鋰電池電芯隔熱材料的最佳選擇。目前較為主流的隔熱方案是在電芯之間放置氣凝膠插片，同時(shí)在模組和上蓋之間設(shè)置云母片。

氣凝膠是鋰電池隔熱材料王者

氣凝膠是一種具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的固體材料，是世界上最輕的固體。依賴于自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，氣凝膠通過(guò)無(wú)對(duì)流效應(yīng)、無(wú)窮遮擋效應(yīng)以及無(wú)窮長(zhǎng)疏松路徑效應(yīng)具備了遠(yuǎn)超硅酸鋁、玻璃棉等傳統(tǒng)隔熱材料的隔熱性能。因而在具有極高的隔熱要求，且需要輕度較低，穩(wěn)定性較好的應(yīng)用領(lǐng)域，氣凝膠是極佳的應(yīng)用材料。此外，氣凝膠還具有良好的壓縮性能，可作為緩沖材料用于電芯間，以適應(yīng)電池在充放電過(guò)程中電芯的膨脹和收縮變化。

氣凝膠

傳統(tǒng)的電池模組采用PP、ABS、PVC等阻燃塑料隔板將單體電池相互隔開(kāi)，并沒(méi)有起到熱隔離保護(hù)作用，還容易造成電池溫度過(guò)高導(dǎo)致隔板溶解、著火等問(wèn)題。氣凝膠是目前可知的導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料，氣凝膠絕熱氈、隔熱板、隔熱紙等產(chǎn)品的隔熱性能最高可達(dá)普通產(chǎn)品的5倍之多，加之優(yōu)良的防火阻燃、柔軟抗沖擊、隔音降噪等功能，除在工業(yè)節(jié)能、民用保溫等領(lǐng)域達(dá)到良好的推廣外，隨著氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氣凝膠在電池領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

氣凝膠隔熱原理 參考資料：零碳技術(shù)研習(xí)社

新能源汽車方面，氣凝膠是單位體積隔熱效果最優(yōu)，符合極高安全要求的高性能材料，可同時(shí)用于整車結(jié)構(gòu)和汽車電池。氣凝膠可在達(dá)到與傳統(tǒng)隔熱材料同樣隔熱效果的前提下減少 3-8 倍的厚度及重量，能夠有效解決低溫環(huán)境下磷酸鐵鋰電池的保溫問(wèn)題以及高溫環(huán)境下三元電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)散問(wèn)題，降低電車自燃的可能性，成為鋰電隔熱的首選材料。

2020年以來(lái)，以寧德時(shí)代、中創(chuàng)新航、比亞迪等動(dòng)力鋰電池廠商紛紛應(yīng)用氣凝膠氈等材料提升電池包的熱防控性能。除動(dòng)力電池廠商以外，主機(jī)廠也積極參與到電池PACK設(shè)計(jì)中，在隔熱阻燃材料方面提出新的技術(shù)方案，例如上汽榮威應(yīng)用的“防火罩”產(chǎn)品。

寧德時(shí)代麒麟電池電芯側(cè)面采用氣凝膠

比亞迪刀片電池

氣凝膠在新能源汽車應(yīng)用中的解決方案

動(dòng)力電池模組簡(jiǎn)化圖

目前動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控的研究，主要側(cè)重于由單體電芯熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個(gè)電池包的熱失控安全問(wèn)題方面，單體電芯的熱失控是整個(gè)電池包熱失控的源頭，目前唯一的熱防護(hù)方式是在電芯間增加隔熱層，以阻斷熱失控從失控單體電芯向周圍電芯傳播，來(lái)降低電池包的損壞和其他破壞作用。上圖為動(dòng)力電池模組簡(jiǎn)化圖。

氣凝膠氈在新能源汽車中的應(yīng)用

氣凝膠在動(dòng)力電池中的應(yīng)用

氣凝膠復(fù)合陶瓷纖維紙

盡管氣凝膠在保溫隔熱、吸附、光催化等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，但其自身機(jī)械強(qiáng)度較差，多以粉末、塊狀和小顆粒形態(tài)出現(xiàn)，限制了氣凝膠的進(jìn)一步應(yīng)用，必須與合適的載體相復(fù)合才能更好發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，有效解決了氣凝膠的力學(xué)性能差和制備困難等問(wèn)題，同時(shí)保留了傳統(tǒng)氣凝膠的優(yōu)異性能，為氣凝膠的發(fā)展提供了新的途徑。目前以玻璃纖維針刺毯、預(yù)氧絲纖維氈、聚酯纖維氈、陶瓷纖維等材料為基材。而陶瓷纖維紙以較好的拉升性能，低導(dǎo)熱率、質(zhì)輕、易切割成型等特點(diǎn)，在氣凝膠復(fù)合材領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)，尤其是在新能源汽車電池防火隔熱領(lǐng)域。陶瓷纖維與氣凝膠的結(jié)合，則為這一領(lǐng)域帶來(lái)了顛覆性突破。這對(duì)“高溫CP”如何通過(guò)協(xié)同效應(yīng)改寫絕熱規(guī)則？

陶瓷纖維紙是由高純度的硅酸鋁耐火纖維，加上少量結(jié)合劑，通過(guò)濕法造紙、真空成型工藝加工而成的一種陶瓷纖維制品。該工藝使得纖維分布非常均勻，硅酸鋁纖維紙的厚度與體積密度也能得到嚴(yán)格控制。

陶瓷纖維紙

陶瓷纖維紙具有一定的支撐性，其密度通常為200kg/m3，比陶瓷纖維布的密度小，也可以比陶瓷纖維布做成更薄的材料，可達(dá)到0.5mm，具有低熱導(dǎo)率，低熱容量，隔熱性能優(yōu)良，電氣絕緣性能優(yōu)良，高溫下不導(dǎo)電的特性。

陶瓷纖維紙還可以根據(jù)纖維中氧化鋁含量的不同，分成不同的耐火等級(jí)，普通陶瓷纖維紙長(zhǎng)期使用溫度一般＞900 ℃。

氣凝膠復(fù)合陶瓷纖維紙的制備方法

氣凝膠陶瓷纖維紙的生產(chǎn)包含制備陶瓷纖維紙，以及將其與氣凝膠進(jìn)行復(fù)合。

在制備陶瓷纖維紙的過(guò)程中，需要選擇適當(dāng)?shù)睦w維材料、粘合劑和制備工藝，以確保紙的強(qiáng)度和均勻性。在復(fù)合過(guò)程中，需要將氣凝膠均勻地分散在陶瓷纖維中，并經(jīng)過(guò)熱處理等工藝步驟，使氣凝膠與陶瓷纖維材料緊密結(jié)合在一起。

主要步驟：

(1)根據(jù)制備的氣凝膠品種，選擇原材料，配制溶膠。

(2)陶瓷纖維紙與溶膠通過(guò)浸漬、噴淋、涂布等方式進(jìn)行復(fù)合，并在催化劑作用下形成凝膠。

復(fù)合工藝則是將氣凝膠與陶瓷纖維紙相結(jié)合，使氣凝膠均勻地填充于陶瓷纖維紙的孔隙結(jié)構(gòu)中，形成氣凝膠復(fù)合陶瓷纖維紙。這一環(huán)節(jié)是決定材料最終性能的關(guān)鍵，其工藝的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的隔熱、力學(xué)等性能指標(biāo)。復(fù)合成型是將氣凝膠與陶瓷纖維紙結(jié)合的關(guān)鍵步驟，也是上海聯(lián)凈設(shè)備發(fā)揮重要作用的環(huán)節(jié)。目前主要采用浸漬-輥壓復(fù)合工藝，此工藝中，上海聯(lián)凈的輥壓設(shè)備憑借其先進(jìn)的技術(shù)和精準(zhǔn)的控制能力，確保了復(fù)合過(guò)程的高效與穩(wěn)定。

熱壓復(fù)合設(shè)備 圖片來(lái)自上海聯(lián)凈自動(dòng)化科技有限公司

輥壓設(shè)備中的輥筒采用特殊材質(zhì)和加工工藝制成，具有良好的耐磨性、耐高溫性和表面光潔度。其工作原理基于輥筒之間的擠壓和摩擦作用，對(duì)經(jīng)過(guò)浸漬和干燥后的氣凝膠復(fù)合陶瓷纖維紙進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。

在輥壓過(guò)程中，上下輥筒以一定的速度差相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使材料在通過(guò)輥隙時(shí)受到均勻的壓力和剪切力。這種力的作用一方面能夠使氣凝膠與陶瓷纖維紙之間的結(jié)合更加緊密，消除內(nèi)部孔隙和氣泡，提高材料的致密度和均勻性；另一方面，通過(guò)調(diào)整輥筒的壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可以精確控制材料的厚度、密度和表面平整度，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)產(chǎn)品性能的要求。

電磁加熱輥 圖片來(lái)自上海聯(lián)凈電子科技有限公司

例如，在生產(chǎn)對(duì)表面平整度要求較高的氣凝膠復(fù)合陶瓷纖維紙用于電子設(shè)備隔熱墊片時(shí)，可通過(guò)降低輥筒轉(zhuǎn)速、增加壓力，使材料表面更加光滑平整；而對(duì)于需要較高密度和強(qiáng)度的航空航天用隔熱材料，則適當(dāng)提高輥筒溫度和轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)氣凝膠與陶瓷纖維紙的融合程度，提升材料的綜合性能。

此外，上海聯(lián)凈的輥筒還配備了先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)和壓力傳感器。溫度控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)輥筒表面溫度，確保在輥壓過(guò)程中材料不會(huì)因溫度過(guò)高而發(fā)生性能劣化；壓力傳感器則可以精確測(cè)量輥隙間的壓力大小，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證輥壓過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

輥壓設(shè)備 圖片來(lái)源于上海聯(lián)凈自動(dòng)化科技有限公司

(3)復(fù)合后的凝膠體在一定條件下老化一定時(shí)間，使凝膠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

(4)采用相應(yīng)的干燥工藝制成氣凝膠復(fù)合紙。

隨著我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氣凝膠在電池領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)品形式將更加多樣化，如新能源動(dòng)力電池、電子設(shè)備用鋰離子電池、蓄電池等方面的保溫隔熱阻燃防護(hù)。其它領(lǐng)域的氣凝膠產(chǎn)品需求也會(huì)不斷上升，根據(jù)IDTechE預(yù)測(cè)，未來(lái)隨著綠色建材思想加深以及新能源汽車需求快速增長(zhǎng)，建筑建造和交通的需求占比在2026年將分別上升至14%和13%。據(jù)Global Market Insights預(yù)測(cè)，到2027年陶瓷纖維增強(qiáng)氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)74億美元，在鋼鐵、新能源等領(lǐng)域的滲透率將超過(guò)35%。這對(duì)“高溫CP”正以科技之力，重新定義人類對(duì)抗極端溫度的邊界。

文章參考資料：納諾科技、艾邦氣凝膠論壇、上海聯(lián)凈、電池涂覆與粘接、一種制備陶瓷纖維紙復(fù)合納米氣凝膠的方法與流程

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