气凝胶在动力电池热防护的应用

1.动力电池隔热材料的要求与特性

在2024年的前十个月中，产销量分别达到了977.9万辆和975万辆，实现了同比33%和33.9%的增长。此外，预计今年的年度产量将有望突破1200万辆大关。在2024年，全国新能源汽车共发生火灾1630余起，其中由动力电池热失控引发的火灾是主要因素之一。动力电池在使用过程中，由于热传导和火焰的影响，可能会引起邻近电芯热失控，导致整个电池模组或电池包发生热失控，进而引发汽车起火爆炸等安全事故。电芯在热失控后，表面温度可高达800℃以上，喷射火焰温度甚至可达1200℃以上。为了阻断热失控的传播，降低或防止其危害，需要在电芯、模组、PACK内增加隔热垫或隔热层。隔热材料应具备以下特性：

1）长期使用温度至少达到800℃，短期耐受1200℃高温。

2）低导热系数，以适应动力电池高能量密度和有限的隔热空间。

3）在电芯充放电过程中出现的膨胀-收缩现象下，具有良好的压缩性能和形变率（大于30%）。

目前，研究人员正致力于开发新型高性能纤维增强气凝胶复合材料，以进一步提升其热防护性能和机械强度。例如，通过引入碳纳米管、石墨烯等纳米材料，可以显著增强复合材料的导热性能和力学性能。高性能纤维增强气凝胶复合材料凭借其卓越的隔热性能和机械强度，在动力电池热防护领域引起了广泛关注。随着电动汽车市场的迅猛发展，对动力电池的安全性要求日益提高。气凝胶复合材料以其低密度、高孔隙率、出色的热稳定性和优异的隔热性能，成为了动力电池热管理的理想材料。

图1隔热气凝胶

在动力电池热防护的应用中，气凝胶复合材料能够有效降低电池在充放电过程中的温度，预防过热现象，从而延长电池的使用寿命并提升其安全性。此外，气凝胶复合材料还具备良好的机械性能，能够承受电池在使用过程中可能遭受的振动和冲击，确保电池组的结构稳定性。

目前，新能源汽车在预防动力电池热失控问题上普遍采取主动和被动的综合防护策略（参见图2）。主动防护策略包括利用热泵系统中的冷却水回路对三电系统执行冷却或加热，并通过系统主动控制来调节温度；而被动防护策略则主要是在电芯或模组PACK中嵌入隔热材料，以阻断和延缓热失控的蔓延，从而提升电池组的运行安全性。尽管主动防护措施能有效遏制电池热失控，但冷却液喷射的时机与量的控制关系复杂，技术挑战大，存在冷却介质泄漏的风险，且产品额外功耗较高，导致工程实施成本昂贵。相比之下，通过在电芯或模组PACK中加入隔热材料的方法更为简便且效果显著。这类隔热材料通常具备低导热系数、出色的防火和阻燃性能、低密度、良好的电气绝缘性能以及尺寸稳定性。传统的动力电池隔热材料包括泡棉、高硅氧棉、超细玻璃棉和真空隔热板等，其特性详见表1。纤维增强气凝胶复合材料是一种新型且高效的隔热材料，其基材是密度极低的SiO2气凝胶。与传统动力电池隔热材料相比，纤维增强气凝胶复合材料在导热系数低、V0级阻燃、使用温度范围广、抗拉和抗压强度可调节等方面具有明显优势，已成为目前抑制三元锂离子动力电池热失控的首选隔热材料。

图2 动力电池内防火防护措施

动力电池的热失控现象通常由电池内部或外部短路触发，造成电池在极短时间内释放大量热量，导致温度急剧上升。一旦某个电芯发生热失控，热量通过热传导和火焰蔓延可能迅速波及邻近电芯，进而引起整个电池模组或电池包的热失控，这可能引发汽车起火甚至爆炸等严重后果。为了有效应对动力电池热失控问题，通过在电芯、模组、PACK内部增设隔热垫或隔热层，可以有效阻断热失控的传播路径，从而减少或避免热失控带来的危害，如图3所示。

图3 新能源汽车动力电池热防护措施

经过对动力电池特性深入分析，我们发现电芯在热失控状态下，其表面温度可飙升至800℃以上，而喷射火焰的温度甚至可能超过1200℃。因此，隔热材料必须能够长期承受800℃的高温，并在短期内应对1200℃的极端温度。鉴于动力电池高能量密度的特性，电芯间用于隔热的空间受限，这就要求隔热材料具备低导热系数。此外，在充放电过程中，电芯会发生膨胀和收缩，为了不影响电池的使用寿命，隔热垫通常需要在1 MPa压力下的形变率超过30%。纤维增强SiO2气凝胶复合材料，其基材由无机纤维和SiO2气凝胶构成，不仅耐高温性能卓越，而且导热系数低。纤维的增韧效果使得复合材料的压缩性能具有可设计性，通过调整纤维的排列方式和比例，可以实现对压缩性能的精确调控，满足动力电池对隔热材料的严格要求。例如，玄武岩纤维增强气凝胶材料的长期使用温度可达850℃，短期使用温度可超过1200℃，其常温导热系数仅为0.0161 W/(m·K)。在提供同等隔热效果的情况下，其厚度仅为传统隔热材料的五分之一。在1 MPa的压力下，形变率超过30%，并且具有良好的回弹性，压缩后不会影响其有效隔热厚度。

纤维增强气凝胶复合材料已在新能源汽车动力电池领域得到广泛应用。2023年12月，小米SU7汽车正式发布，其电芯侧面填充了165片纤维增强气凝胶隔热材料，最高可抵抗1000℃高温，有效防止电池热失控。华为巨鲸电池采用了5层热安全防护设计，包括耐高温云母板、绝缘云母纸、航空级纤维增强气凝胶隔热材料、纳米级陶瓷绝热层和液冷降温系统。宁德时代麒麟电池电芯侧面同样采用了纤维增强气凝胶材料，以防止电芯间的纵向传热。此外，比亚迪自2022年起已透露，纤维增强气凝胶的使用范围将从高端产品扩展到全系列产品，主要应用于高镍三元锂电池。

尽管纤维增强气凝胶复合材料在市场上的应用广泛，但市场上的纤维增强气凝胶复合材料存在严重掉粉问题，在使用过程中由于震动或压缩，气凝胶颗粒掉落，堆积在隔热片一侧，导致隔热性能不一致并大大削弱。如何通过化学交联方法增强纤维与气凝胶之间的交联作用，是未来解决纤维增强气凝胶掉粉问题的技术难点。隔热材料可以延缓热失控从靶电芯向邻近单体电芯传播，但一定程度上削减了散热效果，因此仍需注意及时将热量传递至外部系统，避免因热量持续积累而加剧热失控危害程度。此外，隔热材料的使用也会不可避免地降低电池组能量密度，因此需要优化材料选取、厚度选择、布局选定，兼顾其能量密度和安全性，对隔热材料进行综合考量和合理设计。同时，隔热垫的使用使电芯在长久充放电使用循环中的可膨胀空间减小，需要统筹合理考虑。此外，纤维增强气凝胶复合材料采用超临界干燥方式进行生产，然而超临界高压干燥方法设备复杂，高压工艺较危险，且成本高。通过改进超临界干燥设备和工艺，或寻求一步法常压干燥的方式进行生产，将会大大缩减复合材料的生产周期和成本，是未来重点研究方向之一。

[1]杨旭,苏岳锋,任勇,等.高性能纤维增强气凝胶复合材料在动力电池热防护领域应用进展[J].装备环境工程,2024,21(07):169-182.

[2]新能源电池电芯隔热材料——气凝胶 知乎.2023.