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(dá)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(yù)計今年的年度產(chǎn)量將有望突破1200萬輛大關(guān)。在2024年，全國新能源汽車共發(fā)生火災(zāi)1630余起，其中由動力電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)是主要因素之一。動力電池在使用過程中，由于熱傳導(dǎo)和火焰的影響，可能會引起鄰近電芯熱失控，導(dǎo)致整個電池模組或電池包發(fā)生熱失控，進(jìn)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(dá)800℃以上，噴射火焰溫度甚至可達(dá)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(yīng)具備以下特性：

1）長期使用溫度至少達(dá)到800℃，短期耐受1200℃高溫。

2）低導(dǎo)熱系數(shù)，以適應(yīng)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(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料，以進(jìn)一步提升其熱防護(hù)性能和機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能。高性能纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料憑借其卓越的隔熱性能和機(jī)械強(qiáng)度，在動力電池?zé)岱雷o(hù)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)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(fù)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?zé)峁芾淼睦硐氩牧稀?/span>

圖1隔熱氣凝膠

在動力電池?zé)岱雷o(hù)的應(yīng)用中，氣凝膠復(fù)合材料能夠有效降低電池在充放電過程中的溫度，預(yù)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(fù)合材料還具備良好的機(jī)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(gòu)穩(wěn)定性。

目前，新能源汽車在預(yù)防動力電池?zé)崾Э貑栴}上普遍采取主動和被動的綜合防護(hù)策略（參見圖2）。主動防護(hù)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(hù)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(hù)措施能有效遏制電池?zé)崾Э?，但冷卻液噴射的時機(jī)與量的控制關(guān)系復(fù)雜，技術(shù)挑戰(zhàn)大，存在冷卻介質(zhì)泄漏的風(fēng)險，且產(chǎn)品額外功耗較高，導(dǎo)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(dǎo)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(xì)玻璃棉和真空隔熱板等，其特性詳見表1。纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)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(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料在導(dǎo)熱系數(shù)低、V0級阻燃、使用溫度范圍廣、抗拉和抗壓強(qiáng)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?zé)崾Э氐氖走x隔熱材料。

圖2 動力電池內(nèi)防火防護(hù)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(dǎo)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(dǎo)和火焰蔓延可能迅速波及鄰近電芯，進(jìn)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(yán)重后果。為了有效應(yīng)對動力電池?zé)崾Э貑栴}，通過在電芯、模組、PACK內(nèi)部增設(shè)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?zé)岱雷o(hù)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(yīng)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(dǎo)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(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料，其基材由無機(jī)纖維和SiO2氣凝膠構(gòu)成，不僅耐高溫性能卓越，而且導(dǎo)熱系數(shù)低。纖維的增韌效果使得復(fù)合材料的壓縮性能具有可設(shè)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(yán)格要求。例如，玄武巖纖維增強(qiáng)氣凝膠材料的長期使用溫度可達(dá)850℃，短期使用溫度可超過1200℃，其常溫導(dǎo)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(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料已在新能源汽車動力電池領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(qiáng)氣凝膠隔熱材料，最高可抵抗1000℃高溫，有效防止電池?zé)崾Э?。華為巨鯨電池采用了5層熱安全防護(hù)設(shè)計，包括耐高溫云母板、絕緣云母紙、航空級纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)氣凝膠的使用范圍將從高端產(chǎn)品擴(kuò)展到全系列產(chǎn)品，主要應(yīng)用于高鎳三元鋰電池。

盡管纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料在市場上的應(yīng)用廣泛，但市場上的纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料存在嚴(yán)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(dǎo)致隔熱性能不一致并大大削弱。如何通過化學(xué)交聯(lián)方法增強(qiáng)纖維與氣凝膠之間的交聯(lián)作用，是未來解決纖維增強(qiáng)氣凝膠掉粉問題的技術(shù)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(jìn)行綜合考量和合理設(shè)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(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料采用超臨界干燥方式進(jìn)行生產(chǎn)，然而超臨界高壓干燥方法設(shè)備復(fù)雜，高壓工藝較危險，且成本高。通過改進(jìn)超臨界干燥設(shè)備和工藝，或?qū)で笠徊椒ǔ焊稍锏姆绞竭M(jìn)行生產(chǎn)，將會大大縮減復(fù)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(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料在動力電池?zé)岱雷o(hù)領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)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.