他们给动力电池穿上安全“隔热服”

作者：温才妃 杨芳     来源：中国科学报

新能源汽车离不开新能源动力电池，然而动力电池一旦发生热失控，从冒烟到爆炸仅需56秒。如何迅速阻断某一个电芯热失控时的热传递？

今年5月，南京工业大学材料科学与工程学院教授沈晓冬团队在国际上首创的1200℃新型气凝胶产品问世，并在江苏珈云新材料有限公司完成A轮融资，实现了高性能氧化硅气凝胶系列产品量产。

 这款氧化硅气凝胶材料应用于锂离子动力电池芯组间的隔热，为芯组筑构了一道高性能“防火墙”，为人民生命安全穿上了“防护服”。

     陶瓷纤维纸增强气凝胶电池用隔热片，厚度1-2陶瓷纤维纸增强气凝胶电池用隔热片，厚度1-2毫米，耐温1000℃。 

课题组供图

从水泥到气凝胶的完美转身

自上世纪30年代材料诞生之日起，气凝胶便是明星材料，上世纪90年代起更享有“十大新材料之首”美誉。

气凝胶作为绿色环保新型材料可广泛应用于石油化工、轨道交道、电力工业、井下作业、城镇热管和建筑节能等广阔领域，深受市场欢迎，并被列入战略新兴产业。

气凝胶是一种三维纳米网络结构的纳米材料，具有低密度、高比表面积和低热导率等优异性能。“气凝胶纳米级网状骨构孔洞中超99%的空隙由空气填充。”沈晓冬介绍说，空气是热的不良导体，而气凝胶中的空气被网格绊住了“脚”无法流动，因此导热力较之空气更低，成了隔热‘明星’。”

2000年起，“专情”于水泥研究的沈晓冬，被气凝胶的多项优异性能吸引，承担国家任务开始研究同属硅酸盐材料的氧化硅气凝胶。

研究团队最初采取的是将正硅酸四乙酯放入溶液中搅拌水解成的氧化硅水合粒子，使其在静电作用簇拥深入基材缝隙。“气凝胶单体太过脆弱，无法独当一面，必须借助基材的结构强度。”团队成员、南京工业大学副教授孔勇补充道。

如何提高氧化硅气凝胶材料高温结构稳定性，沈晓冬提出了用陶瓷作基材的新创意。“理想的网孔正在朝着期待的样子逐渐形成，但是此时坐拥纳米空隙的是酒精而非空气。”

超临界态二氧化碳驱逐酒精

实验表明，纳米孔隙中饱含的液体在分离时会产生巨大张力，而这会让网状结构面临崩塌的风险。

“就好像湿了的衣服晾干容易起皱褶、变形。”沈晓冬介绍道，潮湿的衣服表面的水份自带张力，衣服脱水（干燥）后表面的张力随水份消失而消失。如何有效地保护气凝胶内部薄如蝉翼的网状结构？“气体，唯有气体代替液体，才能改变张力消失所导致的变形。”

干燥釜内的二氧化碳在特定温度和压力，即超临界状态下会同时拥有液态或气态特征，这表明当超临界状态的氧化碳呈气体时可抵消张力。于是，研究团队利用这一特点，在超临界状态下“秒”抽酒精，由空气代替酒精入驻孔隙，保护凝胶的网状结构。“我们在动力电池每两个电芯组之间放入研发的气凝胶材料，并通过引爆其中一块电芯，来考验在气凝胶保护下的其余四块测试电芯，能否抵御高温失控的危险。”团队成员、南京工业大学副教授仲亚表示，经过多次试验，他们发现电芯被引爆后高达1200℃的火焰没有突破气凝胶所筑就的“防火墙”，祸及其他电芯。

“我们的研发的成果突破了氧化硅气凝胶材料存在的耐高温性能差等技术难点，建立了完整的自主知识产权体系。”团队成员、南京工业大学博士吴晓栋自豪地说。

据沈晓冬介绍，我国应用于电池电芯隔热的气凝胶绝热产品年销售额已逾10亿元，随着动力电池和储能电池对安全性要求不断提升，气凝胶材料未来市场潜力很大。

珈云新材料有限公司副总经理滕凯明表示，团队的研究成果为行业企业带来了“福音”，公司在锂离子动力电池、储能电池电芯间隔热防护、高温设备、热力管道保温等领域应用了新型气凝胶技术后，取得了良好的社会效益和经济效益。