新能源车电池用气凝胶隔热材料的研究进展

新能源车电池用气凝胶隔热材料 的研究进展

汪柱宏 李慧 陈杰

贵州航天乌江机电设备有限责任公司

超临界流体技术及装备国家地方联合工程研究中心，贵州 遵义，563003

摘要：气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔隔热材料，由于其优异的隔热性能、轻质、防水、不燃、环保的特性，气凝胶及其复合材料被逐渐应用于新能源车电池电芯的隔热防火之中，本文就新能源车电池用气凝胶隔热材料的研究进展进行了综述，并展望了它的应用前景。

关键词：新能源车；气凝胶；隔热材料

1.引言

气凝胶是一种理想的透明隔热材料，同时也是一种优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料^[1]，硅气凝胶的折射率接近1，其孔隙率高达80-99.8%，空洞的典型尺寸为1-100nm，比表面积为200-1000m²/g，而密度可达3kg/m³，室温导热系数可达0.012w/（m*k）。正是由于这些特点使气凝胶隔热材料^[2]在热学、声学、光学、微电子、粒子探测等方面有很广阔的应用前景，近年来在新能源车电池隔热材料领域被广泛应用。

2.气凝胶隔热材料在新能源车上的优势

随着国家对新能源车发展的大力支持，电动汽车产销数量快速增长，产业化步伐不断加快。现阶段，电动汽车主要以锂离子电池作为动力电池，而极端条件下电池热失控是电动汽车的首要安全性问题，常见的较为严重的是电池过充导致温度过高，致使电动汽车着火，爆炸。对于新能源车电池单元局部失控问题，气凝胶隔热材料是解决动力电池热失控的有效措施，可以提高新能源车的使用安全性。气凝胶导热系数低、保温效果好、不燃，相比传统保温材料，只需1/5-1/3的厚度即可达到相同的保温效果，为动力电池节省更多空间，并且保温效果及温度更稳定。应用在新能源车中可以更好地实现电池的温控和电控管理及提升性能，起到绝热、防火的作用，为用户和乘客逃离现场以及灭火争取更多的时间。

3.气凝胶隔热材料在新能源车上的应用

新能源车（纯电动、插电式混动等）电池模组的安全性对新能源车的安全至关重要，当电池模组出现故障时，为了最大程度保护车内乘员，需要对电池包进行防火隔热处理，以便给车内乘员预留充足的逃生时间。

气凝胶是一种新型轻质高效保温隔热材料，且兼具憎水、防火、阻燃特性。其在新能源汽车领域主要应用于动力电池电芯之间的隔热阻燃以及模组与壳体之间的隔热防震等。

新能源车电池用气凝胶隔热材料性能特征：

（1）隔热性：气凝胶隔热材料具有极低的导热系数，可达到0.013-0.016 w/（m*k），低于静态空气（0.024 w/（m*k））的导热系数，比相应的无机绝缘材料^[3]低2-3个数量级。即使在800℃的高温下其导热系数才为0.043 w/（m*k）。高温下不分解，无有毒气体放出。

（2）安全性：气凝胶的安全性取决于其制造的物质成分。目前以硅为基本材料的气凝胶未发现含有致癌或含毒性质，属于绿色环保型材料。

（3）轻量化：气凝胶是世界上密度最小的固体物质之一^[4]，同时也是世界上已知密度最低的人造发泡物质。气凝胶通过超临界干燥法将凝胶中的液体成分慢慢抽出，但不破坏凝胶中分子的空间结构^[5]。目前最轻的硅气凝胶仅有3mg/cm³，比空气重三倍。气凝胶的低密度特性满足新能源车电池模组的轻量化要求，从而为新能源车电池的快速发展提供了契机。

4.应用前景及展望

在新能源车电池隔热材料之中，随着使用时间的增长，传统的泡沫板、玻璃纤维棉、真空绝热板因为其自身的缺陷，当车载电池持续输出电能造成高温发热时，并不能起到很好的隔热效果，甚至可能发生自燃的风险。可以看出，传统的隔热材料在耐温持久性、产品质量等方面存在明显不足。气凝胶作为一种新兴轻质材料，具有优良的绝热阻燃性能，将气凝胶与工程材料复合而成的气凝胶复合材料具有极为优异的阻燃性能，因此，气凝胶复合材料的出现有望解决这一痛点。

综上所述，在新能源汽车快速发展的背景下，气凝胶复合材料作为一种新型轻质高效保温隔热材料，且兼具憎水、阻燃特性。非常适用于新能源车电池电芯间的隔热防火，一方面可以很好地阻隔动力电池电芯单元间热传导问题，当新能源汽车电池发生“热失控”时，气凝胶隔热片达到建筑A1级不燃的性能可以有效阻断或延缓火势蔓延，可以保障电池组在5分钟内不燃烧，起到阻燃效果。另一方面，其高效的隔热性能可有效减小隔热材料使用厚度，从而为新能源车电池组节省更多的空间。再有其优异的憎水性能可避免潮湿天气或冷热交替时产生水汽导致的材料隔热性能下降及电池组耐久性降低等问题。

参考文献

[1] 北京大学化学系分析化学教学组.基础分析化学实验. 北京: 北京大学出版社, 1998: 197

[2] Li, X. Z.; Li, F. B. Environ. Sci. Technol.2001,35 (11), 2381.doi: 10.1021/es001752w

[3] Kim, N. K. J. Vac. Sci. Technol., A1989,7 (3), 1181.doi: 10.1116/1.576250

[4] Si, Y.; Guo, Z. Chem. Lett.2015,44 (7), 874.doi: 10.1246/cl.150223

[5]Li, C.; Shi, G. Adv. Mater.2014,26 (24), 3992.doi: 10.1002/adma.201306104