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1.動力電池隔熱材料的要求與特性

在2024年的前十個月中，產(chǎn)銷量分別達到了977.9萬輛和975萬輛，實現(xiàn)了同比33%和33.9%的增長。此外，預計今年的年度產(chǎn)量將有望突破1200萬輛大關。在2024年，全國新能源汽車共發(fā)生火災1630余起，其中由動力電池熱失控引發(fā)的火災是主要因素之一。動力電池在使用過程中，由于熱傳導和火焰的影響，可能會引起鄰近電芯熱失控，導致整個電池模組或電池包發(fā)生熱失控，進而引發(fā)汽車起火爆炸等安全事故。電芯在熱失控后，表面溫度可高達800℃以上，噴射火焰溫度甚至可達1200℃以上。為了阻斷熱失控的傳播，降低或防止其危害，需要在電芯、模組、PACK內(nèi)增加隔熱墊或隔熱層。隔熱材料應具備以下特性：

1）長期使用溫度至少達到800℃，短期耐受1200℃高溫。

2）低導熱系數(shù)，以適應動力電池高能量密度和有限的隔熱空間。

3）在電芯充放電過程中出現(xiàn)的膨脹-收縮現(xiàn)象下，具有良好的壓縮性能和形變率（大于30%）。

目前，研究人員正致力于開發(fā)新型高性能纖維增強氣凝膠復合材料，以進一步提升其熱防護性能和機械強度。例如，通過引入碳納米管、石墨烯等納米材料，可以顯著增強復合材料的導熱性能和力學性能。高性能纖維增強氣凝膠復合材料憑借其卓越的隔熱性能和機械強度，在動力電池熱防護領域引起了廣泛關注。隨著電動汽車市場的迅猛發(fā)展，對動力電池的安全性要求日益提高。氣凝膠復合材料以其低密度、高孔隙率、出色的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的隔熱性能，成為了動力電池熱管理的理想材料。

圖1隔熱氣凝膠

在動力電池熱防護的應用中，氣凝膠復合材料能夠有效降低電池在充放電過程中的溫度，預防過熱現(xiàn)象，從而延長電池的使用壽命并提升其安全性。此外，氣凝膠復合材料還具備良好的機械性能，能夠承受電池在使用過程中可能遭受的振動和沖擊，確保電池組的結(jié)構穩(wěn)定性。

目前，新能源汽車在預防動力電池熱失控問題上普遍采取主動和被動的綜合防護策略（參見圖2）。主動防護策略包括利用熱泵系統(tǒng)中的冷卻水回路對三電系統(tǒng)執(zhí)行冷卻或加熱，并通過系統(tǒng)主動控制來調(diào)節(jié)溫度；而被動防護策略則主要是在電芯或模組PACK中嵌入隔熱材料，以阻斷和延緩熱失控的蔓延，從而提升電池組的運行安全性。盡管主動防護措施能有效遏制電池熱失控，但冷卻液噴射的時機與量的控制關系復雜，技術挑戰(zhàn)大，存在冷卻介質(zhì)泄漏的風險，且產(chǎn)品額外功耗較高，導致工程實施成本昂貴。相比之下，通過在電芯或模組PACK中加入隔熱材料的方法更為簡便且效果顯著。這類隔熱材料通常具備低導熱系數(shù)、出色的防火和阻燃性能、低密度、良好的電氣絕緣性能以及尺寸穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的動力電池隔熱材料包括泡棉、高硅氧棉、超細玻璃棉和真空隔熱板等，其特性詳見表1。纖維增強氣凝膠復合材料是一種新型且高效的隔熱材料，其基材是密度極低的SiO2氣凝膠。與傳統(tǒng)動力電池隔熱材料相比，纖維增強氣凝膠復合材料在導熱系數(shù)低、V0級阻燃、使用溫度范圍廣、抗拉和抗壓強度可調(diào)節(jié)等方面具有明顯優(yōu)勢，已成為目前抑制三元鋰離子動力電池熱失控的首選隔熱材料。

圖2 動力電池內(nèi)防火防護措施

動力電池的熱失控現(xiàn)象通常由電池內(nèi)部或外部短路觸發(fā)，造成電池在極短時間內(nèi)釋放大量熱量，導致溫度急劇上升。一旦某個電芯發(fā)生熱失控，熱量通過熱傳導和火焰蔓延可能迅速波及鄰近電芯，進而引起整個電池模組或電池包的熱失控，這可能引發(fā)汽車起火甚至爆炸等嚴重后果。為了有效應對動力電池熱失控問題，通過在電芯、模組、PACK內(nèi)部增設隔熱墊或隔熱層，可以有效阻斷熱失控的傳播路徑，從而減少或避免熱失控帶來的危害，如圖3所示。

圖3 新能源汽車動力電池熱防護措施

經(jīng)過對動力電池特性深入分析，我們發(fā)現(xiàn)電芯在熱失控狀態(tài)下，其表面溫度可飆升至800℃以上，而噴射火焰的溫度甚至可能超過1200℃。因此，隔熱材料必須能夠長期承受800℃的高溫，并在短期內(nèi)應對1200℃的極端溫度。鑒于動力電池高能量密度的特性，電芯間用于隔熱的空間受限，這就要求隔熱材料具備低導熱系數(shù)。此外，在充放電過程中，電芯會發(fā)生膨脹和收縮，為了不影響電池的使用壽命，隔熱墊通常需要在1 MPa壓力下的形變率超過30%。纖維增強SiO2氣凝膠復合材料，其基材由無機纖維和SiO2氣凝膠構成，不僅耐高溫性能卓越，而且導熱系數(shù)低。纖維的增韌效果使得復合材料的壓縮性能具有可設計性，通過調(diào)整纖維的排列方式和比例，可以實現(xiàn)對壓縮性能的精確調(diào)控，滿足動力電池對隔熱材料的嚴格要求。例如，玄武巖纖維增強氣凝膠材料的長期使用溫度可達850℃，短期使用溫度可超過1200℃，其常溫導熱系數(shù)僅為0.0161 W/(m·K)。在提供同等隔熱效果的情況下，其厚度僅為傳統(tǒng)隔熱材料的五分之一。在1 MPa的壓力下，形變率超過30%，并且具有良好的回彈性，壓縮后不會影響其有效隔熱厚度。

纖維增強氣凝膠復合材料已在新能源汽車動力電池領域得到廣泛應用。2023年12月，小米SU7汽車正式發(fā)布，其電芯側(cè)面填充了165片纖維增強氣凝膠隔熱材料，最高可抵抗1000℃高溫，有效防止電池熱失控。華為巨鯨電池采用了5層熱安全防護設計，包括耐高溫云母板、絕緣云母紙、航空級纖維增強氣凝膠隔熱材料、納米級陶瓷絕熱層和液冷降溫系統(tǒng)。寧德時代麒麟電池電芯側(cè)面同樣采用了纖維增強氣凝膠材料，以防止電芯間的縱向傳熱。此外，比亞迪自2022年起已透露，纖維增強氣凝膠的使用范圍將從高端產(chǎn)品擴展到全系列產(chǎn)品，主要應用于高鎳三元鋰電池。

盡管纖維增強氣凝膠復合材料在市場上的應用廣泛，但市場上的纖維增強氣凝膠復合材料存在嚴重掉粉問題，在使用過程中由于震動或壓縮，氣凝膠顆粒掉落，堆積在隔熱片一側(cè)，導致隔熱性能不一致并大大削弱。如何通過化學交聯(lián)方法增強纖維與氣凝膠之間的交聯(lián)作用，是未來解決纖維增強氣凝膠掉粉問題的技術難點。隔熱材料可以延緩熱失控從靶電芯向鄰近單體電芯傳播，但一定程度上削減了散熱效果，因此仍需注意及時將熱量傳遞至外部系統(tǒng)，避免因熱量持續(xù)積累而加劇熱失控危害程度。此外，隔熱材料的使用也會不可避免地降低電池組能量密度，因此需要優(yōu)化材料選取、厚度選擇、布局選定，兼顧其能量密度和安全性，對隔熱材料進行綜合考量和合理設計。同時，隔熱墊的使用使電芯在長久充放電使用循環(huán)中的可膨脹空間減小，需要統(tǒng)籌合理考慮。此外，纖維增強氣凝膠復合材料采用超臨界干燥方式進行生產(chǎn)，然而超臨界高壓干燥方法設備復雜，高壓工藝較危險，且成本高。通過改進超臨界干燥設備和工藝，或?qū)で笠徊椒ǔ焊稍锏姆绞竭M行生產(chǎn)，將會大大縮減復合材料的生產(chǎn)周期和成本，是未來重點研究方向之一。

[1]楊旭,蘇岳鋒,任勇,等.高性能纖維增強氣凝膠復合材料在動力電池熱防護領域應用進展[J].裝備環(huán)境工程,2024,21(07):169-182.

[2]新能源電池電芯隔熱材料——氣凝膠 知乎.2023.

文章轉(zhuǎn)自微信公眾號：中國復材