氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動力電池中的應用

＊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.湖北科技學院 湖北 437100）

隨著社會的發展，新能源汽車的市場占有率逐年升高，并呈現出取代傳統燃油汽車的趨勢。新能源汽車種類很多，其中電動車是新能源汽車中重要的分支。鋰離子電池作為電動汽車最重要的儲能部件發展迅猛。鋰離子電池安全問題[1]，特別是汽車內鋰離子電池組熱失控問題被廣泛關注[2]。為了提高動力電池的性能，人們開始研究新型的絕熱材料。其中，氣凝膠作為一種優良的絕熱材料，因其較低的導熱系數和良好的絕熱、絕緣性能，已經被廣泛應用于電動汽車的動力電池中。

1.新能源汽車動力電池的工作原理和結構特點

電動車是通過各種新能源生成電力并以電池作為動力源的汽車[3]。其工作原理是將正負極材料分別涂覆在集流器上，并通過電解質進行電子和離子輸運。具體的電池包括正極、負極和電解質三個部分。當電池充電時，電池內部發生一系列反應，電子從負極通過外部回路流入正極，離子則通過電解質在正負極之間移動。當電池放電時，這個過程反轉，電子從正極通過外部回路流入負極，離子也在正負極之間移動。電動車對電池組的電壓、容量和功率等參數要求較高[4]，因此汽車的動力電池一般由多個電芯通過不同的排列方式串聯而成，從而獲得極高的電能以及輸出功率，讓電動汽車具有長續航、高功率、超靜音等優勢。

2.氣凝膠絕熱材料的基本概念、制備方法簡紹

氣凝膠是一種孔隙度高和密度低的新型材料，其特點是孔隙尺寸非常小，通常在1～100nm之間[5]。由于其孔隙率達到99%，因此具有極低的導熱系數和良好的絕緣性能，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材料，其性能非常優異，其優勢包括以下幾個方面。

（1）導熱系數低，隔熱性能好；（2）具有較好的絕緣性能；（3）具有質量輕的優勢，被稱為“固體煙”；（4）物理及化學性質穩定，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構，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方面具有廣泛的應用前景。

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

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，選擇適當的溶劑和前驅體，將前驅體溶解在溶劑中，形成溶膠。然后，通過調整溶液的pH值、溫度和加入適當的助劑等方式，使溶膠逐漸形成凝膠結構。凝膠的形成可以通過溶膠中的聚合反應、水解縮聚反應或其他凝膠化反應來實現。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單、成本較低的優點。它適用于制備各種形狀的氣凝膠，并且可以通過調節溶膠的成分和制備條件來控制氣凝膠的孔結構和性能。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后，將凍結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單、制備過程中不需要添加任何化學試劑的優點。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。

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

氣凝膠的制備方法多種多樣，每種方法都有其獨特的特點和適用范圍。根據動力電池的實際需求，選擇合適的制備方法，可以獲得性能優異的氣凝膠材料。隨著技術的不斷發展，相信氣凝膠的制備方法將會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力電池中的應用

動力電池的效能是決定電動汽車性能的重要指標參數。動力電池對溫度非常敏感，溫度直接影響到電池的沖放電效率、容量以及循環壽命等參數。因此一個性能好、效率高的隔熱材料對動力電池而言具有重要的意義[7]。此外，隨著電池技術的進步，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注。電池熱失控指因各種因素引發的電芯溫度激增，內部的電能和化學能大量轉化為熱能，導致電池的膨脹、冒煙、燃燒，進而引發整車燃燒的災難性事故，造成人員傷害和財產的損失。

可能引發汽車動力電池熱失控的因素很多，如在汽車事故中，高動能的釋放，可能會讓電池組擠壓變形，甚至刺穿電池隔膜或引發電解液泄漏，導致電池短路、電池瞬間會釋放出大量熱量，從而誘發車內電池組熱失控。此外，電池老化；熱管理系統失效；電池不按規定使用，過充、過放電也能導致動力電池的熱失控。

防止熱失控，確保動力電池的安全運行，一直以來都是新能源車企關注及研發的重點。目前解決思路集中在兩個方面，一是通過軟、硬件結合的車輛熱失控防護系統，監控電池的運行狀態，遏制熱失控現象的發生，或者盡量延緩熱失控的蔓延時間，提升電池系統的安全性。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生。通過隔熱材料保護電池已經成為車企首選的電池熱失控解決方案。電動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汽車中起到了重要的作用，能夠有效地保護電池組的溫度穩定性，延長電池組的使用壽命，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力電池中的應用主要體現在以下幾個方面。

（1）電池內部的高溫會導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部的溫度，從而有效降低外界低溫對電池的充放電效率、充電時間過長等不良影響。從而減少電池內部反應的能量損失，提高電池的效率。

（2）氣凝膠良好的絕緣性能，可以避免電池內部出現短路等安全隱患。同時其穩定的化學性質和良好的耐候性也可以延長電池的使用壽命。

（3）氣凝膠絕熱材料具有低密度特性，在發揮隔熱效能的同時，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]，應用于車體結構時，可提升乘車環境的舒適度，并且防水透氣，有效抑制霉菌生長，改善車內環境質量。

（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，同時降低電池熱失控時電池溫度的驟然升高帶來的風險[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。氣凝膠應用到動力電池熱防護領域，可有效阻隔電池熱失控引發的熱蔓延情況，筑牢電池安全“防火墻”，保障生命財產安全。使用氣凝膠隔熱材料將電芯單元一個一個地隔離開來，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的多米諾效應，能有效延緩或者阻止熱擴散，給車內人員足夠的逃生時間，避免人員的傷害。因此，氣凝膠隔熱片已經成為電動汽車制造領域不可或缺新型材料。并逐漸成為動力電池安全防護領域的重要設計標準。

4.氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動力電池保護中的研究方向

隨著新能源汽車的快速發展，逐漸成為汽車市場的熱門。而動力電池作為新能源汽車的核心部件，其性能的穩定和安全的保護對于車輛的工作效率和安全性至關重要。動力電池的保護成為了一個重要的研究領域。氣凝膠作為一種輕質絕熱的超級材料，在動力電池保護中應用的潛力巨大，本文將從氣凝膠的制備和優化、封裝技術及安全性等方面，簡單闡述氣凝膠在未來新能源汽車動力電池保護中的研究方向。以提高氣凝膠絕熱材料在動力電池保護中的應用效果，進一步提高電池的工作效率和安全性。

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

（2）氣凝膠的熱穩定性研究：氣凝膠絕熱材料在高溫條件下的熱傳導特性是影響其在動力電池保護中應用的關鍵因素。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，解決高溫狀態下的氣凝膠疏水失活等問題，以確保材料在高溫環境下的穩定性。

（3）絕熱材料的穩定研究：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，以應對電池工作過程中可能出現的安全問題也是未來氣凝膠在動力電池防護領域的重點研究方向。

（4）氣凝膠制備工藝優化：目前業界普遍采用成本較高的超臨界干燥工藝來生產氣凝膠。制備工藝存在一定的復雜性和成本高昂的問題，限制了其大規模推廣應用。未來必須要研究更簡化和經濟高效的制備方法，以降低成本并提高生產效率。

氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動力電池保護領域的發展前景廣闊。未來的研究可以在提高氣凝膠性能、優化制備工藝、封裝技術及安全性等方面進行探索，以進一步推動氣凝膠在新能源汽車中的應用和發展。

5.結論

新能源汽車已成為未來乘用車制造領域的發展趨勢。對電動汽車而言，提升續航里程一直是新能源汽車廠家研發的重要方向。其中，提高電池的能量密度成為研究的熱點方向，但高能量密度電池往往伴隨著產生熱失控等安全問題。因此，氣凝膠隔熱材料作為汽車動力電池熱管理的超級材料，必將扮演重要角色。本文詳細介紹了氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動力電池中的應用，包括其基本概念、制備方法、優點及應用以及未來研究方向等。可以看出，氣凝膠絕熱材料在新能源汽車中具有廣泛的應用前景，希望上述研究能為新能源汽車的發展做出貢獻。