如今，熱失控是動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導致電池起火或爆炸。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導致電池起火或爆炸。

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。要實現(xiàn)“5min 的安全逃逸時間”，則需要對電池包的隔熱材料做改進，延緩故障電池包的爆炸時間。

隨著中國新能源汽車市場和儲能鋰電市場持續(xù)快速增長，鋰電池熱管理阻燃隔熱材料市場需求將呈現(xiàn)出井噴的發(fā)展趨勢。

熱管理材料

阻燃泡棉價格低廉，柔韌性好，尺寸設計對于PACK方案靈活性高。目前阻燃泡棉以硅膠泡棉應用為主，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，隨著對電池輕量化和耐高溫性能的要求進一步提升，陶瓷化硅橡膠復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，氣凝膠具備較長的使用壽命的優(yōu)勢，其使用壽命約為傳統(tǒng)保溫材料的4倍左右。

出于對體積能量密度的追求，鋰電池廠在Pack設計時給電芯之間隔熱層預留的空間并不大，氣凝膠兼具阻燃性能好及用量少的特點，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，同時在模組和上蓋之間設置云母片。

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。依賴于自身獨特的結(jié)構(gòu)，氣凝膠通過無對流效應、無窮遮擋效應以及無窮長疏松路徑效應具備了遠超硅酸鋁、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)定性較好的應用領域，氣凝膠是極佳的應用材料。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，以適應電池在充放電過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，并沒有起到熱隔離保護作用，還容易造成電池溫度過高導致隔板溶解、著火等問題。氣凝膠是目前可知的導熱系數(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、民用保溫等領域達到良好的推廣外，隨著氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氣凝膠在電池領域的應用也越來越廣泛。

氣凝膠隔熱原理 參考資料：零碳技術研習社

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，可同時用于整車結(jié)構(gòu)和汽車電池。氣凝膠可在達到與傳統(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題以及高溫環(huán)境下三元電池熱失控擴散問題，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，以寧德時代、中創(chuàng)新航、比亞迪等動力鋰電池廠商紛紛應用氣凝膠氈等材料提升電池包的熱防控性能。除動力電池廠商以外，主機廠也積極參與到電池PACK設計中，在隔熱阻燃材料方面提出新的技術方案，例如上汽榮威應用的“防火罩”產(chǎn)品。

寧德時代麒麟電池電芯側(cè)面采用氣凝膠

比亞迪刀片電池

氣凝膠在新能源汽車應用中的解決方案

動力電池模組簡化圖

目前動力電池系統(tǒng)熱失控的研究，主要側(cè)重于由單體電芯熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個電池包的熱失控安全問題方面，單體電芯的熱失控是整個電池包熱失控的源頭，目前唯一的熱防護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，來降低電池包的損壞和其他破壞作用。上圖為動力電池模組簡化圖。

氣凝膠氈在新能源汽車中的應用

氣凝膠在動力電池中的應用

氣凝膠復合陶瓷纖維紙

盡管氣凝膠在保溫隔熱、吸附、光催化等領域均有廣泛應用，但其自身機械強度較差，多以粉末、塊狀和小顆粒形態(tài)出現(xiàn)，限制了氣凝膠的進一步應用，必須與合適的載體相復合才能更好發(fā)揮其性能優(yōu)勢，有效解決了氣凝膠的力學性能差和制備困難等問題，同時保留了傳統(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，低導熱率、質(zhì)輕、易切割成型等特點，在氣凝膠復合材領域占據(jù)優(yōu)勢，尤其是在新能源汽車電池防火隔熱領域。陶瓷纖維與氣凝膠的結(jié)合，則為這一領域帶來了顛覆性突破。這對“高溫CP”如何通過協(xié)同效應改寫絕熱規(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，可達到0.5mm，具有低熱導率，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，普通陶瓷纖維紙長期使用溫度一般＞900 ℃。

氣凝膠復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行復合。

在制備陶瓷纖維紙的過程中，需要選擇適當?shù)睦w維材料、粘合劑和制備工藝，以確保紙的強度和均勻性。在復合過程中，需要將氣凝膠均勻地分散在陶瓷纖維中，并經(jīng)過熱處理等工藝步驟，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浸漬、噴淋、涂布等方式進行復合，并在催化劑作用下形成凝膠。

復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，形成氣凝膠復合陶瓷纖維紙。這一環(huán)節(jié)是決定材料最終性能的關鍵，其工藝的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的隔熱、力學等性能指標。復合成型是將氣凝膠與陶瓷纖維紙結(jié)合的關鍵步驟，也是上海聯(lián)凈設備發(fā)揮重要作用的環(huán)節(jié)。目前主要采用浸漬-輥壓復合工藝，此工藝中，上海聯(lián)凈的輥壓設備憑借其先進的技術和精準的控制能力，確保了復合過程的高效與穩(wěn)定。

熱壓復合設備 圖片來自上海聯(lián)凈自動化科技有限公司

輥壓設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，對經(jīng)過浸漬和干燥后的氣凝膠復合陶瓷纖維紙進行進一步加工處理。

在輥壓過程中，上下輥筒以一定的速度差相對轉(zhuǎn)動，使材料在通過輥隙時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，滿足不同應用場景對產(chǎn)品性能的要求。

電磁加熱輥 圖片來自上海聯(lián)凈電子科技有限公司

例如，在生產(chǎn)對表面平整度要求較高的氣凝膠復合陶瓷纖維紙用于電子設備隔熱墊片時，可通過降低輥筒轉(zhuǎn)速、增加壓力，使材料表面更加光滑平整；而對于需要較高密度和強度的航空航天用隔熱材料，則適當提高輥筒溫度和轉(zhuǎn)速，增強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監(jiān)測和調(diào)節(jié)輥筒表面溫度，確保在輥壓過程中材料不會因溫度過高而發(fā)生性能劣化；壓力傳感器則可以精確測量輥隙間的壓力大小，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)壓力的自動調(diào)節(jié)，保證輥壓過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

輥壓設備 圖片來源于上海聯(lián)凈自動化科技有限公司

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

(4)采用相應的干燥工藝制成氣凝膠復合紙。

隨著我國氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氣凝膠在電池領域的應用產(chǎn)品形式將更加多樣化，如新能源動力電池、電子設備用鋰離子電池、蓄電池等方面的保溫隔熱阻燃防護。其它領域的氣凝膠產(chǎn)品需求也會不斷上升，根據(jù)IDTechE預測，未來隨著綠色建材思想加深以及新能源汽車需求快速增長，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預測，到2027年陶瓷纖維增強氣凝膠市場規(guī)模將達74億美元，在鋼鐵、新能源等領域的滲透率將超過35%。這對“高溫CP”正以科技之力，重新定義人類對抗極端溫度的邊界。

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合納米氣凝膠的方法與流程

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