應用高阻燃氣凝膠有效改善新能源機動車動力系統防火性能的探究

于偉

摘要：隨著我國新能源戰略的實施和新能源汽車的發展，新能源機動車逐漸進入千家萬戶，新能源機動車引發的車輛火災以及車輛自燃事故也日益增多。新能源機動車一旦燃燒，短時間內即可造成較大經濟損失，并威脅人們的生命安全，逐漸成為社會關注的熱點問題。由于新能源機動車的動力系統主要由鋰電池組和充電機構成，這些也是火災發生的主要隱患，因此，結合新能源機動車在火災機理、火災荷載、煙氣特性等方面的特點，制備高阻燃性氣凝膠材料并將其設置在新能源機動車的動力系統部位，通過實驗可知，高阻燃氣凝膠能夠有效降低放熱連鎖反應出現的概率，最大限度降低該類機車的火災風險。

關鍵詞：新能源汽車；鋰電池；火災隱患；氣凝膠

1 新能源機動車火災特點

近年來，我國國民經濟及新能源技術飛速發展，大量新能源機動車逐步取代高能耗、高污染的燃油汽車大量進入千家萬戶，隨著新能源機動車的普及，人們逐漸發現此類車在運行過程中容易引發突發性的火災及爆燃事故，并且新能源機動車在火災機理、火災荷載、煙氣特性等方面與傳統燃油機車存在著顯著不同。我國自2013年起結合電動汽車的結構特征，開始對鋰電池電動汽車的火災特點進行逐一研判，從識別、警戒、防護、斷電、滅火及火災后清理等方面研究了鋰電池汽車滅火救援措施[1-5]。

新能源機動車在高溫、潮濕、浸水等環境下，容易出現電池組故障，發生短路或熱失控等，導致電池組起火，新能源汽車發生自燃。該類機動車一旦電池組被點燃，易產生噴出火花和噴射火焰從而導致整輛汽車的燃燒。由于新能源汽車中電池組是相對封閉的，普遍設置于引擎蓋或電動車內且電池組外部結構比較復雜。因此，火勢處于早期發展階段時可能不會被注意到，普通滅火劑難以直接覆蓋著火處，難以實現快速滅火，導致滅火時間長。與普通可燃物不同，鋰電池火災中，火源來自其內部發生化學反應，其在氧含量較低甚至無氧的環境中仍能夠發生火災，因此電動汽車的火災事故中應特別注意火災復燃的風險。普通滅火措施只能撲滅明火，難以阻斷其內部化學反應，明火被撲滅后，有相當大的概率會引起火災復燃。例如，在美國佛羅里達州一輛特斯拉ModelS因以140km/h的速度撞擊墻壁而墜毀，導致車輛起火。滅火后車輛從現場移開，之后車輛發生復燃，火災再次被撲滅后，損壞的車輛到達拖車場時再次復燃。

此外，一旦新能源汽車動力系統形成密閉燃燒狀態，一線消防隊伍普遍配發的消防水槍射流根本無法有效直擊火點，滅火效果也必將大打折扣[1-2]。目前，通過對氣凝膠材料基體進行適當的阻燃改性，使其附著于新能源汽車易發生燃燒的動力系統部位，逐漸成了國內外專家針對性改善新能源汽車防火性能的重要研究方向。

由于新能源機動車的動力系統是火災發生的主要隱患，且鋰電池組是發生火災及爆燃事故的主要部位，一旦以上部位發生火災很難在短時間內完成有效處置。因此，筆者結合新能源汽車火災特性，制備高阻燃性氣凝膠材料并將其設置在新能源機動車的動力系統部位，當鋰電池溫度驟變時，氣凝膠獨特的三維納米結構能夠有效地抑制熱量的傳遞，在燃燒物表面形成高黏度的熔融玻璃質和致密的炭化層，有效切斷燃燒過程中的熱量傳播，起到良好的阻燃效果，從火災發生的根源上有效遏制，最大限度地降低了新能源汽車的火災危險性。

2 實驗部分

2.1? 以飽和二氧化碳水溶液為介質的二氧化硅氣凝膠的制備方法

2.1.1? 硅酸鈉溶液的配制

向體積比為1：10的水玻璃溶液加入去蒸餾水中稀釋，使用多功能攪拌器在5000r/min條件下均勻攪拌10min，制得質量分數為15%、20%、25%、50%的硅酸鈉溶液。

2.1.2? 凝膠老化過程

濕凝膠是將稀釋后的水玻璃溶液、C1-C4低碳醇、酸和水以1：（5～8）：（0.5～1）：（1～1.5）的摩爾比混合得到后，加入摩爾比混合為10：（0.3～0.4）：（4～6）的C1-C4低碳醇、堿和水；隨后向反應體系中加入甲酰胺和異丙醇，硅酸鈉與甲酰胺以及異丙醇的摩爾比為1：（0.8～1）：（1～2），再在高壓條件下向溶液中通入過飽和二氧化碳水溶液，使用多功能攪拌器均勻攪拌后實施老化處理。

2.1.3? 疏水改性過程

將老化處理后的濕凝膠浸泡在飽和二氧化碳水溶液中10～12h直至濕凝膠內充滿碳酸溶液；應用摩爾比為1：（0.75～1）的六甲基二硅胺烷對濕凝膠表面進行疏水改性24～32h。

2.1.4? 置換干燥過程

利用電熱鼓風干燥箱將二氧化碳氣體導入經疏水改性處理后的二氧化硅氣凝膠，干燥溫度為60～80℃，干燥時間為24～30h，制備而成二氧化硅氣凝膠。

2.2? 以飽和二氧化碳水溶液為介質的二氧化硅氣凝膠的表征方法

將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品烘干至恒重，應用傅里葉變換紅外光譜儀對纖維樣品置于鍺晶體上進行分析，將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品充分干燥后與溴化鉀溶液混合均勻并壓制成型，隨后放入紅外光譜儀中進行分析，該次測試分辨率采用4cm-1，波長范圍在4000～400cm-1區間范圍內。使用導電膠將制備而成的待測二氧化硅氣凝膠樣品固定在載玻片上后，通過對其進行間歇性噴金的方式完成待測試樣的表面處理，然后通過掃描電子顯微鏡觀察制備而成的二氧化硅氣凝膠的表面形貌。將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品充分干燥后，利用導熱系數儀測量制備而成的樣品的導熱系數，每次測試進行5次平行實驗取平均值。將制備而成的二氧化硅氣凝膠樣品充分干燥后，置于測試用鎳隔熱電偶組中心線處。該設備主要由48信道無紙記錄儀TS-30熱流輻射計和K鎳隔熱電偶組成。其中熱流量輻射計通過測定0.3～50μm區間內由燃燒火焰發出的輻射熱總量進行測定，每次測試進行4次平行實驗取平均值[5]。

圖1顯示的是硅酸鈉溶液質量分數對制備而成的二氧化硅氣凝膠導熱性能的影響。一種隔熱材料的絕熱性能必須在該材料體積密度相對較小且材料機體本身孔隙尺寸能夠有效防止氣態熱分子發生熱對流現象，并且由該材料基體本身反射或吸收的熱輻射能夠降低到最低程度。二氧化硅氣凝膠就是根據以上的原理來達到超級隔熱的效果。材料基體表面的傳熱作用主要是通過固相傳熱以及材料基體表面的孔洞之間的氣相傳熱方式予以實現。如圖2所示，隨著硅酸鈉溶液質量分數的增加，應用二氧化碳氣體去除濕凝膠孔隙中的水分后，由于熱量無法通過固相介質有效實施傳遞，反應體系中隨著硅酸鈉溶液質量分數的提高，結構內部的三維網絡結構愈發完善，材料基體表面與熱量間的接觸面積逐漸減小，在范德華力作用下，孔徑內的氣體被束縛，不能產生自由移動，且材料基體表面能夠有效阻擋紅外線、紫外線，最大限度地降低了熱量的傳遞速度，從而最大限度地降低了新能源汽車的火災危險特性。利用TC3000型導熱系數儀進行測量，當硅酸鈉溶液質量分數為35%時，制備而出的氣凝膠導熱系數僅為0.016W/（m·K）。

圖3顯示的是凝膠過程中以飽和二氧化碳水溶液為介質制備而成的二氧化硅氣凝膠材料基體的熱輻射通量的相應趨勢。通過對4個材料樣本在燃燒試驗處于穩定燃燒階段的性能進行比較，4個樣本呈現出相同的熱輻射通量范圍，證明應用凝膠過程中以飽和二氧化碳水溶液為介質制備而成的二氧化硅氣凝膠材料基體結構較為均勻。隨著測試過程中材料的熱輻射通量范圍從0.10kW/m2逐漸上升到0.35kW/m2的過程中，材料基體的熱輻射通量相對較為穩定，a～d樣本熱輻射通量沿著軸向從火焰的底部到頂部逐漸減小，通過以上實驗，進一步證明了制備而成的氣凝膠材料質地均勻，隔熱性能良好。材料結構自身除了具有良好的隔熱性能，而且對于高溫、熱量具有良好的阻隔性能，其獨特的三維網絡結構能夠有效阻隔分子形態熱量的傳遞，有效降低熱量在材料基體表面的傳遞效率，當新能源汽車電池有發生火災或爆燃的趨勢時，能及時抑制熱量的傳遞，迅速切斷熱傳播途徑，保證機動車的事故范圍始終控制在局部空間內，降低對毗鄰人員、車輛的危害，有效防止事故規模的擴大。

3 結論

本文結合新能源汽車在火災機理、火災荷載、煙氣特性等方面的特點，以硅酸鈉為硅源的二氧化硅氣凝膠的制備方法，利用高壓條件下過飽和二氧化碳水溶液替代目前常見的加酸凝膠法制備而成新型高阻燃性氣凝膠材料，當新能源汽車電池有發生火災或爆燃的趨勢時，高阻燃氣凝膠材料能在燃燒物表面形成高黏度的熔融玻璃質和致密的炭化層，有效切斷燃燒過程中的熱量傳播，起到良好的阻燃效果，最大限度降低新能源汽車的火災危險特性。

參考文獻：

[1]張得勝，張良，陳克，等.電動汽車火災原因調查研究[J].消防科學與技術，2014，33（9）：1091-1093.

[2]吳忠華，李海寧.電動汽車的火災危險性探討[J].消防科學與技術，2014，33（11）：1340-1343.

[3]代旭日，何寧.鋰電池火災特點及處置對策[J].消防科學與技術，2016，35（11）：1616-1619.

[4]柯錦城，楊旻，謝寧波，等.鋰電池電動汽車滅火救援技術探討[J].消防科學與技術，2017，36（12）：1725-1727.

[5]吳志強，廖承林，李勇.新能源電動汽車消防安全現狀與思考[J].消防科學與技術，2019，38（1）：148-151.

An investigation on the application of high resistance gas gel to effectively improve the fire protection performance of new energy motor vehicle power systems

Yu wei

（Tianjin Fire and Rescue Brigade Jinnan District Fire and Rescue Division，Tianjin 300350）

Abstract： With the implementation of China's new energy strategy and the development of new energy vehicles， new energy motor vehicles are gradually entering thousands of households， due to the new energy motor vehicles caused by vehicle fires and vehicle combustion accidents are also increasing. Once a new energy motor vehicle burns， it can cause large economic losses in a short time and threaten people's life safety， which has gradually become a hot issue of social concern. As the power system of new energy motor vehicles is mainly composed of lithium battery packs and chargers， which are also the main hidden dangers of fire， therefore， combining the new energy motor vehicles in the fire mechanism， fire load， smoke characteristics and other aspects of the characteristics of the preparation of high flame retardant aerogel materials and set it in the power system of new energy motor vehicles，It can be seen through experiments that the high resistance gas gel can effectively reduce the appearance of exothermic chain reaction and minimize the fire hazard characteristics of this kind of locomotive.

Keywords： new energy vehicles; lithium battery; fire hazard; aerogel