氣凝膠隔熱材料及其在鋰電池包上的應(yīng)用

氣凝膠是一種高孔隙率、高比表面積的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的納米材料。氣凝膠獨特的納米結(jié)構(gòu)能有效抑制材料的固體熱傳導(dǎo)和氣體對流傳熱，是一種性能優(yōu)異的“超級隔熱材料”。

一. 氣凝膠基本知識介紹

氣凝膠的制備通常分為 2 步：

1）通過溶膠-凝膠法使溶液內(nèi)分子不斷交聯(lián)，形成濕凝膠；

2）通過超臨界干燥去除濕凝膠內(nèi)部的溶劑，獲得氣凝膠。

氧化物氣凝膠

目前主要研究的氧化物氣凝膠為SiO2、Al2O3、ZrO2 氣凝膠及其復(fù)合氣凝膠。不僅在高溫隔熱領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用，在催化、吸附等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。氧化物氣凝膠雖然具有低密度和低導(dǎo)熱率等優(yōu)異的性能，但是在高溫（800~1 000℃）下極易發(fā)生收縮和燒結(jié)，導(dǎo)致熱導(dǎo)率快速增大，極大地限制了在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

碳化物氣凝膠

碳化物氣凝膠材料相較于傳統(tǒng)的氧化物氣凝膠，碳化物氣凝膠具有更高的耐溫性，在惰性氛圍下耐溫性可達(dá) 3000℃，且密度低于 0.4 g/cm3，室溫導(dǎo)熱系數(shù)低于 0.040 W/(m·K)。因此，碳化物氣凝膠材料成為 1200℃以上溫區(qū)最具潛力的氣凝膠材料，廣泛應(yīng)用于航天航空、高溫爐窖等高溫隔熱領(lǐng)域。

碳?xì)饽z

碳?xì)饽z在惰性氣氛中超過 2000℃的高溫下也可以保持介孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能。通常，碳?xì)饽z是在惰性氣氛中聚合和熱解有機前驅(qū)體制得。除此之外，還可以通過石墨烯及其衍生物的自膠凝或化學(xué)聚合制備，以及通過碳納米管（CNT）或碳納米纖維（CNF）的化學(xué)氣相沉積或化學(xué)交聯(lián)制備。

氣凝膠材料具有極低的導(dǎo)熱率，隔熱，輕薄，優(yōu)秀的防火、疏水、抗拉抗壓性能。廣泛應(yīng)用于新能源汽車電池、石化、軍工、航天、環(huán)保、建筑、交通等各領(lǐng)域。

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二. 氣凝膠在鋰離子動力電池組中的應(yīng)用

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寧德時代、上汽通用、宇通客車等公司的電池組熱管理解決方案是在電芯之間放置氣凝膠。氣凝膠材料導(dǎo)熱系數(shù)低，防火、防水性能優(yōu)異，占用空間小，壽命長，且對環(huán)境無污染，是最佳的汽車電池隔熱材料。同時，動力電車的性能受溫度影響較大，溫度過低會影響到再生制動系統(tǒng)的性能，充電速度過慢而且充不滿電，氣凝膠也能保障電池溫度不會過低。

上汽通用公司在純電動 MAV 別克微藍(lán)的電芯之間加入了納米級氣凝膠，為別克微藍(lán) 410KM 版 140Wh/kg 的高電池能量密度和 13.1kW·h 的低能耗做出了貢獻(xiàn)，強化了別克微藍(lán)電池組的安全性，為別克微藍(lán)的高壓系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)安全 ASIL D（汽車安全性等級最高等級）標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

上汽通用Ultium平臺電池電芯之間采用氣凝膠來隔熱，熱管理的設(shè)計上，采用了多級熱防控技術(shù)，電芯間采用了加厚設(shè)計的氣凝膠，能有效降低電芯間溫度傳遞。同樣，抑制熱擴散采用專利技術(shù)，能夠主動“速冷”、電池上蓋內(nèi)置氣凝膠防火毯，對乘員和整車進(jìn)一步保護(hù)。

三. 氣凝膠市場需求及主要生產(chǎn)企業(yè)

據(jù)華安團隊預(yù)測，汽車領(lǐng)域氣凝膠需求量

國內(nèi)氣凝膠主要生產(chǎn)企業(yè)

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