氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動(dòng)力電池中的應(yīng)用

＊袁兵 鄭亞莉 杜林麗

（1.廣東埃力生科技股份有限公司 廣東 513044 2.湖北科技學(xué)院 湖北 437100）

隨著社會(huì)的發(fā)展，新能源汽車的市場(chǎng)占有率逐年升高，并呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)燃油汽車的趨勢(shì)。新能源汽車種類很多，其中電動(dòng)車是新能源汽車中重要的分支。鋰離子電池作為電動(dòng)汽車最重要的儲(chǔ)能部件發(fā)展迅猛。鋰離子電池安全問題[1]，特別是汽車內(nèi)鋰離子電池組熱失控問題被廣泛關(guān)注[2]。為了提高動(dòng)力電池的性能，人們開始研究新型的絕熱材料。其中，氣凝膠作為一種優(yōu)良的絕熱材料，因其較低的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的絕熱、絕緣性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池中。

1.新能源汽車動(dòng)力電池的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電動(dòng)車是通過各種新能源生成電力并以電池作為動(dòng)力源的汽車[3]。其工作原理是將正負(fù)極材料分別涂覆在集流器上，并通過電解質(zhì)進(jìn)行電子和離子輸運(yùn)。具體的電池包括正極、負(fù)極和電解質(zhì)三個(gè)部分。當(dāng)電池充電時(shí)，電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)，電子從負(fù)極通過外部回路流入正極，離子則通過電解質(zhì)在正負(fù)極之間移動(dòng)。當(dāng)電池放電時(shí)，這個(gè)過程反轉(zhuǎn)，電子從正極通過外部回路流入負(fù)極，離子也在正負(fù)極之間移動(dòng)。電動(dòng)車對(duì)電池組的電壓、容量和功率等參數(shù)要求較高[4]，因此汽車的動(dòng)力電池一般由多個(gè)電芯通過不同的排列方式串聯(lián)而成，從而獲得極高的電能以及輸出功率，讓電動(dòng)汽車具有長(zhǎng)續(xù)航、高功率、超靜音等優(yōu)勢(shì)。

2.氣凝膠絕熱材料的基本概念、制備方法簡(jiǎn)紹

氣凝膠是一種孔隙度高和密度低的新型材料，其特點(diǎn)是孔隙尺寸非常小，通常在1～100nm之間[5]。由于其孔隙率達(dá)到99%，因此具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的絕緣性能，在高溫、低溫和真空等惡劣條件下仍然都具有較好的絕熱保溫性能。氣凝膠作為一種新型超級(jí)材料，其性能非常優(yōu)異，其優(yōu)勢(shì)包括以下幾個(gè)方面。

（1）導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱性能好；（2）具有較好的絕緣性能；（3）具有質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，被稱為“固體煙”；（4）物理及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐老化性能突出；（5）具有較好的可塑性；（6）氣凝膠所具有的多孔結(jié)構(gòu)，使其具有較好的吸聲降噪、抗沖擊能力[6]。因此，作為一種新型隔熱材料，氣凝膠在航空航天、石油化工、汽車制造以及城市建設(shè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

氣凝膠的制備方法主要包括溶膠-凝膠法、凍干法和電化學(xué)法等。下面將分別介紹這些方法及其特點(diǎn)。

溶膠-凝膠法是一種常用的氣凝膠制備方法。它通常包括溶膠制備、凝膠形成、干燥和熱處理等步驟。首先，選擇適當(dāng)?shù)娜軇┖颓膀?qū)體，將前驅(qū)體溶解在溶劑中，形成溶膠。然后，通過調(diào)整溶液的pH值、溫度和加入適當(dāng)?shù)闹鷦┑确绞?，使溶膠逐漸形成凝膠結(jié)構(gòu)。凝膠的形成可以通過溶膠中的聚合反應(yīng)、水解縮聚反應(yīng)或其他凝膠化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。最后，通過干燥和熱處理等步驟，去除溶劑和使凝膠形成氣凝膠。溶膠-凝膠法可以制備出各種形狀的氣凝膠，如顆粒、薄膜、纖維等。溶膠-凝膠法具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。它適用于制備各種形狀的氣凝膠，并且可以通過調(diào)節(jié)溶膠的成分和制備條件來控制氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)和性能。溶膠-凝膠法制備的氣凝膠具有較高的比表面積和孔隙度，具有良好的吸附性能和隔熱性能。

凍干法是一種將溶膠凍結(jié)后，將凍結(jié)的溶膠中的水分通過升華的方式去除，從而制備氣凝膠的方法。在凍干法中，首先將溶膠冷凍，在低溫下將水凍結(jié)成冰晶。然后，通過升華的方式，將冰晶中的水分去除，使溶膠形成氣凝膠。凍干法制備的氣凝膠具有較大的孔隙和較低的密度。凍干法具有制備工藝簡(jiǎn)單、制備過程中不需要添加任何化學(xué)試劑的優(yōu)點(diǎn)。凍干法適用于制備具有較大孔隙和較低密度的氣凝膠，制備的氣凝膠具有良好的吸附性能和隔熱性能。

電化學(xué)法是一種利用電化學(xué)方法制備氣凝膠的方法。在電化學(xué)法中，通過在電解液中施加電場(chǎng)，使前驅(qū)體在電極上電沉積形成凝膠結(jié)構(gòu)，然后通過去除電解液和溶劑，制備氣凝膠。電化學(xué)法可以制備出形貌復(fù)雜的氣凝膠，并且可以通過調(diào)節(jié)電化學(xué)條件來控制氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)和性能。電化學(xué)法具有制備過程可控、制備條件可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。電化學(xué)法制備的氣凝膠具有較高的比表面積和孔隙度，具有優(yōu)良的吸附性能和催化性能。

氣凝膠的制備方法多種多樣，每種方法都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。根據(jù)動(dòng)力電池的實(shí)際需求，選擇合適的制備方法，可以獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信氣凝膠的制備方法將會(huì)越來越多樣化和高效化。

3.氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動(dòng)力電池中的應(yīng)用

動(dòng)力電池的效能是決定電動(dòng)汽車性能的重要指標(biāo)參數(shù)。動(dòng)力電池對(duì)溫度非常敏感，溫度直接影響到電池的沖放電效率、容量以及循環(huán)壽命等參數(shù)。因此一個(gè)性能好、效率高的隔熱材料對(duì)動(dòng)力電池而言具有重要的意義[7]。此外，隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，電池的單位能量密度在迅速提升，隨之而來的安全問題特別是電池的熱失控問題被廣泛關(guān)注。電池?zé)崾Э刂敢蚋鞣N因素引發(fā)的電芯溫度激增，內(nèi)部的電能和化學(xué)能大量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電池的膨脹、冒煙、燃燒，進(jìn)而引發(fā)整車燃燒的災(zāi)難性事故，造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)的損失。

可能引發(fā)汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э氐囊蛩睾芏?，如在汽車事故中，高?dòng)能的釋放，可能會(huì)讓電池組擠壓變形，甚至刺穿電池隔膜或引發(fā)電解液泄漏，導(dǎo)致電池短路、電池瞬間會(huì)釋放出大量熱量，從而誘發(fā)車內(nèi)電池組熱失控。此外，電池老化；熱管理系統(tǒng)失效；電池不按規(guī)定使用，過充、過放電也能導(dǎo)致動(dòng)力電池的熱失控。

防止熱失控，確保動(dòng)力電池的安全運(yùn)行，一直以來都是新能源車企關(guān)注及研發(fā)的重點(diǎn)。目前解決思路集中在兩個(gè)方面，一是通過軟、硬件結(jié)合的車輛熱失控防護(hù)系統(tǒng)，監(jiān)控電池的運(yùn)行狀態(tài)，遏制熱失控現(xiàn)象的發(fā)生，或者盡量延緩熱失控的蔓延時(shí)間，提升電池系統(tǒng)的安全性。另一條思路是通過使用隔熱材料切斷熱量的傳遞，阻止和延遲熱失控的發(fā)生。通過隔熱材料保護(hù)電池已經(jīng)成為車企首選的電池?zé)崾Э亟鉀Q方案。電動(dòng)汽車中電池組常用的隔熱材料很多，包括氣凝膠、聚氨酯泡沫、玻璃纖維、石墨烯、聚酰亞胺薄膜等。這些隔熱材料在電動(dòng)汽車中起到了重要的作用，能夠有效地保護(hù)電池組的溫度穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，并提高電池組的安全性能。

其中氣凝膠具有隔熱、阻燃、易于加工的特性，是非常理想的隔熱阻燃材料，正成為汽車廠商的首選材料。氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動(dòng)力電池中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）電池內(nèi)部的高溫會(huì)導(dǎo)致電池壽命的縮短和安全性的降低，通過在電池模組中加入氣凝膠絕熱材料，可以有效地降低電池內(nèi)部的溫度，從而有效降低外界低溫對(duì)電池的充放電效率、充電時(shí)間過長(zhǎng)等不良影響。從而減少電池內(nèi)部反應(yīng)的能量損失，提高電池的效率。

（2）氣凝膠良好的絕緣性能，可以避免電池內(nèi)部出現(xiàn)短路等安全隱患。同時(shí)其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和良好的耐候性也可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。

（3）氣凝膠絕熱材料具有低密度特性，在發(fā)揮隔熱效能的同時(shí)，有效提高電池能量密度。氣凝膠絕熱材料的高孔隙度，可以起到吸聲降噪、抗沖擊性等功能[6]，應(yīng)用于車體結(jié)構(gòu)時(shí)，可提升乘車環(huán)境的舒適度，并且防水透氣，有效抑制霉菌生長(zhǎng)，改善車內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

（4）氣凝膠隔熱片可塑性較好，形狀可以任意變化，以異形件的形式貼合在隔層中，減小電池組之間熱量的傳導(dǎo)，同時(shí)降低電池?zé)崾Э貢r(shí)電池溫度的驟然升高帶來的風(fēng)險(xiǎn)[7]，為人員安全提供一定保障。

氣凝膠隔熱材料能大大提高電池模塊的耐熱性。氣凝膠應(yīng)用到動(dòng)力電池?zé)岱雷o(hù)領(lǐng)域，可有效阻隔電池?zé)崾Э匾l(fā)的熱蔓延情況，筑牢電池安全“防火墻”，保障生命財(cái)產(chǎn)安全。使用氣凝膠隔熱材料將電芯單元一個(gè)一個(gè)地隔離開來，可有效阻隔電芯間的熱傳遞，避免電池組因部分電芯熱失控所引發(fā)的多米諾效應(yīng)，能有效延緩或者阻止熱擴(kuò)散，給車內(nèi)人員足夠的逃生時(shí)間，避免人員的傷害。因此，氣凝膠隔熱片已經(jīng)成為電動(dòng)汽車制造領(lǐng)域不可或缺新型材料。并逐漸成為動(dòng)力電池安全防護(hù)領(lǐng)域的重要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動(dòng)力電池保護(hù)中的研究方向

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，逐漸成為汽車市場(chǎng)的熱門。而動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心部件，其性能的穩(wěn)定和安全的保護(hù)對(duì)于車輛的工作效率和安全性至關(guān)重要。動(dòng)力電池的保護(hù)成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。氣凝膠作為一種輕質(zhì)絕熱的超級(jí)材料，在動(dòng)力電池保護(hù)中應(yīng)用的潛力巨大，本文將從氣凝膠的制備和優(yōu)化、封裝技術(shù)及安全性等方面，簡(jiǎn)單闡述氣凝膠在未來新能源汽車動(dòng)力電池保護(hù)中的研究方向。以提高氣凝膠絕熱材料在動(dòng)力電池保護(hù)中的應(yīng)用效果，進(jìn)一步提高電池的工作效率和安全性。

（1）氣凝膠的封裝技術(shù)：氣凝膠絕熱材料需要封裝在動(dòng)力電池模組中，以提供有效的絕熱保護(hù)。因此研究如何實(shí)現(xiàn)材料的穩(wěn)定封裝、防止材料松散、脫落等問題，以保證氣凝膠的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性成為未來研究的方向之一。

（2）氣凝膠的熱穩(wěn)定性研究：氣凝膠絕熱材料在高溫條件下的熱傳導(dǎo)特性是影響其在動(dòng)力電池保護(hù)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，有必要研究如何提高材料的耐高溫性能、抗熱膨脹性能，解決高溫狀態(tài)下的氣凝膠疏水失活等問題，以確保材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。

（3）絕熱材料的穩(wěn)定研究：氣凝膠絕熱材料需要具備防火性能和耐腐蝕性能，以確保電池的安全。研究如何提高材料的防火性能和耐腐蝕性能，以應(yīng)對(duì)電池工作過程中可能出現(xiàn)的安全問題也是未來氣凝膠在動(dòng)力電池防護(hù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

（4）氣凝膠制備工藝優(yōu)化：目前業(yè)界普遍采用成本較高的超臨界干燥工藝來生產(chǎn)氣凝膠。制備工藝存在一定的復(fù)雜性和成本高昂的問題，限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。未來必須要研究更簡(jiǎn)化和經(jīng)濟(jì)高效的制備方法，以降低成本并提高生產(chǎn)效率。

氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動(dòng)力電池保護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊。未來的研究可以在提高氣凝膠性能、優(yōu)化制備工藝、封裝技術(shù)及安全性等方面進(jìn)行探索，以進(jìn)一步推動(dòng)氣凝膠在新能源汽車中的應(yīng)用和發(fā)展。

5.結(jié)論

新能源汽車已成為未來乘用車制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)電動(dòng)汽車而言，提升續(xù)航里程一直是新能源汽車廠家研發(fā)的重要方向。其中，提高電池的能量密度成為研究的熱點(diǎn)方向，但高能量密度電池往往伴隨著產(chǎn)生熱失控等安全問題。因此，氣凝膠隔熱材料作為汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾淼某?jí)材料，必將扮演重要角色。本文詳細(xì)介紹了氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動(dòng)力電池中的應(yīng)用，包括其基本概念、制備方法、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用以及未來研究方向等?？梢钥闯?，氣凝膠絕熱材料在新能源汽車中具有廣泛的應(yīng)用前景，希望上述研究能為新能源汽車的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。