摘要：本文介绍了气凝胶的材料特性、发展历程、产品种类、研究进展以及在新能源动力电池中的应用与展望。

关键词：气凝胶、隔热、气凝胶毡、动力电池、热失控

一、前言

为了解决汽车能源与环境问题，需要汽车产业实现能源动力系统的革命，近年来汽车产业由混合动力到纯电动汽车逐步转型，动力电池和燃料电池技术的快速发展预示着新能源汽车机遇期的到来[1]。最近几年中国的新能源汽车产业发展迅猛，不仅市场越来越大，相关技术和产业链也逐步发展完善。

公安部发布数据显示，截止2022年上半年国内汽车的保有量约为3.1亿辆，而新能源汽车的保有量正式超过一千万辆。中国汽车工业协会发布的数据同样证明新能源产业的飞速发展：2022年上半年新能源汽车的销量达260万辆，同比增长1.2倍，市场占有率已提升至21.6%。乘用车市场中新能源乘用车占总销量的24%，而新能源汽车在中国品牌乘用车的比重已高达39.8%。

在新能源汽车市场火爆的背后，火灾风险可能成为影响产业进一步发展的问题之一。由国家应急管理部已经公布的数据可知：2022年一季度第共有640起新能源汽车的火灾事故，这一数据比上一年提升了32%，显著高于交通工具火灾平均8.8%的增幅。即使考虑到新能源车同比增长1.2倍的销量，火灾增幅仍然超过这一平均数值。所以解决新能源汽车的火灾隐患迫在眉睫，从根本上来讲是要解决动力电池的热失控和热扩散问题[2]。

新能源汽车多使用锂离子动力电池作为电力驱动的来源，并且车内需要大容量的锂电池来满足汽车行驶需求的能量。当一个电池单体发生热失控后，会引发相邻电池的连锁热失控，最终导致事故发生[3]。电池热失控的影响因素较为复杂，主要能分为机械电气诱因和电化学诱因。如果想要从锂电池的热管理方面解决热失控问题，最有效的方法是优化电池结构和车内布局，从而减少热失控的概率，这能从根本上降低火灾隐患。但这些优化并不能一蹴而就，在新能源产业迅速发展的当下，需要解决新能源汽车火灾问题的更现实解决方案。这就要新能源厂家从阻燃隔热的防护材料入手，当电池发生热失控后延长火灾蔓延时间、限制事故范围，在保证现有产品的安全性后逐步提升锂离子动力电池的热管理技术。汽车的设计通常追求轻量化，并且动力电池的电芯之间能分给防护材料的空间有限，而气凝胶就是在有限的厚度下具有最佳阻燃隔热性能的材料。

二、气凝胶简介

气凝胶是如今性能最好的绝热材料之一，它通常由纳米尺寸的结构单元组成，具有高比表面积（800～1200m2/g）和高孔隙率（通常大于90%）。具有极高孔隙率和极低密度的气凝胶材料在隔热方面有着其他固体材料难以比拟的优势[4]，并且大部分气凝胶的孔隙尺寸都小于空气中常见气体O2和N2的平均自由程，这将导致由气体分子带来的热对流受到极大限制，从而使气凝胶材料具备极低的导热系数。不仅在热学领域有着极大应用潜力，气凝胶材料在声学、光学和电学等领域都有独特的应用价值[5]。

1，二氧化硅气凝胶的发展

气凝胶最先于二十世纪三十年代被美国斯坦福大学的kistler[6]研究团队制得，使用水玻璃为前驱体原料，通过溶胶-凝胶转变得到由液体填充的多孔凝胶结构，然后利用超临界干燥技术使凝胶中液体失去表面张力并干燥凝胶，最终得到由空气作为分散介质的二氧化硅气凝胶[7]。在干燥过程中凝胶的体积发生较小的收缩是制备气凝胶的基础要求，与之相反，干燥过程中凝胶体积发生剧烈收缩的被称作干凝胶，难以拥有与气凝胶类似的高孔隙率与高比表面积。通过类似的方法kistler还制备了氧化铝、氧化镍、氧化铁等等气凝胶，但在当时气凝胶材料因为制备方法复杂且周期长、超临界设备成本和安全问题、没有合适的应用领域等问题不被看好。

使用醇类（比如乙醇）作为湿凝胶的溶剂介质更有利于降低干燥过程中的表面张力，所以二氧化硅气凝胶干燥前通常会使用类似透析的方法让乙醇取代凝胶中的水。但是乙醇的超临界温度通常高于250℃，同时需要保持较高的压力，乙醇超临界的成本问题和安全隐患限制了气凝胶的工业化开发。1985年Tewari[8]提出使用超临界CO2进行气凝胶的干燥，将干燥温度降至室温级别。这一成果降低了超临界成本并提高了设备安全性，是推动气凝胶产业化的重要因素。

随着气凝胶生产技术的进步，如Aspen、Cabot等多家公司开始布局气凝胶产业，国内气凝胶产业在二十一世纪初发展较为缓慢，直到2015年后才出现快速发展的势头。气凝胶的价格相对于其他隔热材料较高，最初主要用于航空航天、国防军工等对于成本不太敏感的领域。二氧化硅气凝胶的制备成本主要在硅源和干燥两方面。原料硅源的成本主要受限于上游的产量和技术进步，近年来国内如晨光新材、金宏气体等上游企业实现增产，气凝胶的原料成本有望逐步下降。干燥方面的成本主要是干燥设备的购置、折旧以及干燥过程的能耗成本，中游的气凝胶产品企业如果有干燥技术方面的进步更容易取得成本优势。除了超临界干燥技术，冷冻干燥和常压干燥技术也能用于气凝胶的制备。二氧化硅气凝胶是如今工业化最成熟的气凝胶材料，现在可以用于批量生产的干燥技术主要是超临界干燥和常压干燥。

气凝胶虽然具有优秀的隔热性能，但纯气凝胶的机械性能差影响加工和长期使用，而较高单价使其与真空隔热板、隔热棉等传统隔热产品相比没有优势，所以多采用气凝胶与其他材料复合降低成本。气凝胶复合产品能克服纯气凝胶的种种缺点，并能保持优秀的隔热性能，是气凝胶市场的主要增长点。现在的气凝胶制品主要有气凝胶毡、气凝胶粉、气凝胶纸、气凝胶板材等，在石油化工、新能源汽车、建筑等行业应用最多。

三、气凝胶毡的应用

市场上被最广泛应用的气凝胶产品是二氧化硅气凝胶与玻璃纤维、陶瓷纤维或预氧丝结合制成的毡状产品。纯二氧化硅气凝胶的导热系数在0.023 W/（m·K）以下，玻璃纤维的导热系数在0.034～0.043 W/（m·K），虽然加入纤维复合会使导热系数相比纯气凝胶材料有明显提升，但对力学性能的提升使其能满足大量生产和长期使用需求[9]。纯纤维毡主要发生纤维之间的固相传热和空气在纤维间孔隙的热传导，在与气凝胶复合后纤维之间的传热被气凝胶限制，固相传热明显下降；纤维间的孔隙被气凝胶填充，原本微米级以上的孔隙变为气凝胶的纳米级孔隙，有效限制了空气的热传导。

如今，气凝胶毡在城市热力管网、高温管道等方面有较大市场，其保温隔热性能相比其他材料有明显优势，可以有效减少保温层厚度，便于加工和节省空间。在对凝胶进行疏水处理后，得到的二氧化硅气凝胶的疏水角高达到145°，加入玻璃纤维复合增强后疏水角仍能达到127°，高疏水角、低输水率的气凝胶毡在室外使用时具有更好的防护性能[10]。气凝胶毡在较高温度和振动环境下仍能保持良好使用性能[11]，其中的气凝胶不易发生沉降、能够维持纳米孔隙结构，使得它相比传统保温材料具有更长的使用寿命。

随着新能源汽车中电池包的隔热和安全需求，气凝胶毡作为保温层因为低厚度和低密度十分适合电池包的轻量化设计，并且无机材料的阻燃性能较好，开始作为电芯间防护材料的选择之一。但是相比管道保温的需求，电池包中所用的气凝胶毡需要干燥后残留更少的溶剂量以保证使用和加工安全，这对气凝胶厂家的产品质量提出了更高要求。

1，其他气凝胶材料的应用潜力

除了二氧化硅气凝胶，由其他材料制备的气凝胶也具有优异的隔热防火性能。无机陶瓷类气凝胶的高温稳定性和阻燃性优秀，相比高分子气凝胶更可能用于动力电池的热防护。

哈工大的李惠教授和徐翔教授团队[12]开发了在超过1000℃温度时仍能保持良好隔热性能的陶瓷纤维气凝胶。通过多尺度结构设计后，气凝胶材料的泊松比和热膨胀系数极低，使其具备优异的结构稳定性和抗高温形变的能力。该陶瓷纤维气凝胶可以通过静电纺丝工艺实现批量化生产，后续通过折叠和热处理等较为简单的工艺就能得到预定形状的产品，具备工业化生产的潜力。

Wen等[13]以无机铝盐为前驱体，采用溶胶-凝胶法制备了耐热的Al2O3气凝胶及其与SiO2纤维复合的材料。该气凝胶复合材料在600℃时导热系数低至0.033W/（m·K），能够在1200℃下保持结构稳定。孙晶晶等[14]将陶瓷纤维和氧化铝气凝胶复合制备高温隔热瓦，在1400℃高温处理30分钟后仅有2%的收缩率，具有极好的高温稳定性。中科院苏州纳米所的张学同团队[15]研制了柔性氮化硼气凝胶材料，能够在-196℃～1000℃温度范围内保持良好柔韧性。这种气凝胶材料由硼酸和三聚氰胺经过凝胶化和干燥后，通过1200℃和氨气氛围处理得到，导热系数低至0.035 W/（m·K）。Su等[16]开发了一种氮化硅纳米带气凝胶，具有良好的压缩回弹性能和低至0.029 W/（m·K）的导热系数，1cm厚的样品能耐受丁烷火焰灼烧30分钟，背面温度不超过500℃。

由于无机陶瓷类气凝胶在制备过程中通常需要高温热处理[17]，所以具备优异的高温稳定性和阻燃性，为其在隔热防火应用方面打下基础。无机气凝胶更容易与玻璃纤维或陶瓷纤维进行复合制备气凝胶毡，在量产工艺方面也具有可行性。

四、动力电池的安全防护需要（气凝胶在动力电池领域中的应用）

锂离子电池作为新能源汽车现在最主流的动力电池选择，相对于传统的铅酸、镍铬或镍氢电池具有能量密度大、工作电压高、自放电率低、使用温度范围宽和循环寿命长等明显优点[18]。但是锂离子电池的耐热性及耐滥用性较差，在滥用条件下可能发生失控的放热反应导致温度长期超过适宜的使用范围，最终导致事故发生[19]。近年来由锂电池引起的火灾爆炸等事故频繁发生，导致社会和政策都十分关注对锂电池热失控的解决方案。

分析动力电池事故的源头，可以分为电池内部因素和外部使用因素两种。电池内部因素可以归咎于生产的质量问题或锂枝晶生产穿透正负极隔膜导致短路，内部短路后会在短路位置产生大量热量。而电池内部不具备足够的散热条件，升高的温度会让电极活性材料和电解液发生进一步的放热反应，一步步使电池发生热失控并导致相应事故[20]。外部使用因素有针刺挤压等机械因素，有外部过热的环境因素，也有过充或外部短路等滥用因素。但是造成电池热失控的外部因素大多是可控和避免的，发生在电池内部的短路问题通常难以预料，更容易造成事故的发生。

汽车动力电池结构设计中包含热管理和降低热失控的设计，可以最大限度地降低电池热失控风险[21，22]。但因动力电池热失控引发的事故让消费者和汽车行业愈发重视电动汽车的安全性，在最新的行业标准《GB 38031-2020 电动汽车用动力蓄电池安全要求》中强调了电池系统热安全、机械安全、电气安全以及功能安全等方面的检验标准。尤其是要求电池单体发生热失控后，电池系统必须在5分钟内不发生起火爆炸，为乘客预留足够的安全逃生时间。

这一标准对隔热材料的性能提出了非常高的要求[23]。因为电池包箱体中空间有限，电池组需要有效的排列来提高整体能量密度，能够提供给隔热层的空间十分有限。这就需要隔热材料在足够薄的情况下起到足够的隔热效果，隔热效果越好在电池热失控时能提供的逃生窗口期越长。气凝胶材料无疑能满足这种需求，这也是近年来动力电池中开始使用气凝胶材料的主要原因。

五、气凝胶材料在新能源汽车领域中的展望

综合来看，气凝胶是在单位体积下质量最轻、阻燃隔热性能最稳定的材料，其优异的性能已经在石油化工、建筑等行业得到证明。在动力电池方面，气凝胶相关产品（如气凝胶毡）能在单个电芯失控起火时有效降低其对整个电池模组的影响，极大程度延缓热量扩散，从而抑制连锁热失控现象的发生，降低新能源汽车起火爆炸的风险，增加乘客的反应时间和逃生机会。除了在电芯之间用于应对热失控现象，气凝胶复合相变材料还具有热管理方面的优势[24]：气凝胶的高孔隙率和纳米孔隙能吸附大量储能相变材料，能够吸收多余热量保持电池整体热平衡，有望在动力电池热管理系统中发挥作用。

气凝胶材料在新能源领域发展的限制性因素主要是单价较高。随着越来越多的企业布局新能源汽车行业，车辆价格逐渐降低，更多车企开始关注成本控制。虽然气凝胶工业在近几年已经快速发展，但是其产品单价相对于其他材料仍然较高。如果气凝胶价格未来随着气凝胶产量的扩大而逐渐降低，气凝胶产品可以凭借在隔热阻燃方面的优势在新能源动力电池的安全管理系统中占据一席之地。

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