气凝胶绝热材料在新能源汽车动力电池中的应用

＊袁兵 郑亚莉 杜林丽

（1.广东埃力生科技股份有限公司 广东 513044 2.湖北科技学院 湖北 437100）

随着社会的发展，新能源汽车的市场占有率逐年升高，并呈现出取代传统燃油汽车的趋势。新能源汽车种类很多，其中电动车是新能源汽车中重要的分支。锂离子电池作为电动汽车最重要的储能部件发展迅猛。锂离子电池安全问题[1]，特别是汽车内锂离子电池组热失控问题被广泛关注[2]。为了提高动力电池的性能，人们开始研究新型的绝热材料。其中，气凝胶作为一种优良的绝热材料，因其较低的导热系数和良好的绝热、绝缘性能，已经被广泛应用于电动汽车的动力电池中。

1.新能源汽车动力电池的工作原理和结构特点

电动车是通过各种新能源生成电力并以电池作为动力源的汽车[3]。其工作原理是将正负极材料分别涂覆在集流器上，并通过电解质进行电子和离子输运。具体的电池包括正极、负极和电解质三个部分。当电池充电时，电池内部发生一系列反应，电子从负极通过外部回路流入正极，离子则通过电解质在正负极之间移动。当电池放电时，这个过程反转，电子从正极通过外部回路流入负极，离子也在正负极之间移动。电动车对电池组的电压、容量和功率等参数要求较高[4]，因此汽车的动力电池一般由多个电芯通过不同的排列方式串联而成，从而获得极高的电能以及输出功率，让电动汽车具有长续航、高功率、超静音等优势。

2.气凝胶绝热材料的基本概念、制备方法简绍

气凝胶是一种孔隙度高和密度低的新型材料，其特点是孔隙尺寸非常小，通常在1～100nm之间[5]。由于其孔隙率达到99%，因此具有极低的导热系数和良好的绝缘性能，在高温、低温和真空等恶劣条件下仍然都具有较好的绝热保温性能。气凝胶作为一种新型超级材料，其性能非常优异，其优势包括以下几个方面。

（1）导热系数低，隔热性能好；（2）具有较好的绝缘性能；（3）具有质量轻的优势，被称为“固体烟”；（4）物理及化学性质稳定，耐老化性能突出；（5）具有较好的可塑性；（6）气凝胶所具有的多孔结构，使其具有较好的吸声降噪、抗冲击能力[6]。因此，作为一种新型隔热材料，气凝胶在航空航天、石油化工、汽车制造以及城市建设方面具有广泛的应用前景。

气凝胶的制备方法主要包括溶胶-凝胶法、冻干法和电化学法等。下面将分别介绍这些方法及其特点。

溶胶-凝胶法是一种常用的气凝胶制备方法。它通常包括溶胶制备、凝胶形成、干燥和热处理等步骤。首先，选择适当的溶剂和前驱体，将前驱体溶解在溶剂中，形成溶胶。然后，通过调整溶液的pH值、温度和加入适当的助剂等方式，使溶胶逐渐形成凝胶结构。凝胶的形成可以通过溶胶中的聚合反应、水解缩聚反应或其他凝胶化反应来实现。最后，通过干燥和热处理等步骤，去除溶剂和使凝胶形成气凝胶。溶胶-凝胶法可以制备出各种形状的气凝胶，如颗粒、薄膜、纤维等。溶胶-凝胶法具有制备工艺简单、成本较低的优点。它适用于制备各种形状的气凝胶，并且可以通过调节溶胶的成分和制备条件来控制气凝胶的孔结构和性能。溶胶-凝胶法制备的气凝胶具有较高的比表面积和孔隙度，具有良好的吸附性能和隔热性能。

冻干法是一种将溶胶冻结后，将冻结的溶胶中的水分通过升华的方式去除，从而制备气凝胶的方法。在冻干法中，首先将溶胶冷冻，在低温下将水冻结成冰晶。然后，通过升华的方式，将冰晶中的水分去除，使溶胶形成气凝胶。冻干法制备的气凝胶具有较大的孔隙和较低的密度。冻干法具有制备工艺简单、制备过程中不需要添加任何化学试剂的优点。冻干法适用于制备具有较大孔隙和较低密度的气凝胶，制备的气凝胶具有良好的吸附性能和隔热性能。

电化学法是一种利用电化学方法制备气凝胶的方法。在电化学法中，通过在电解液中施加电场，使前驱体在电极上电沉积形成凝胶结构，然后通过去除电解液和溶剂，制备气凝胶。电化学法可以制备出形貌复杂的气凝胶，并且可以通过调节电化学条件来控制气凝胶的孔结构和性能。电化学法具有制备过程可控、制备条件可调的优点。电化学法制备的气凝胶具有较高的比表面积和孔隙度，具有优良的吸附性能和催化性能。

气凝胶的制备方法多种多样，每种方法都有其独特的特点和适用范围。根据动力电池的实际需求，选择合适的制备方法，可以获得性能优异的气凝胶材料。随着技术的不断发展，相信气凝胶的制备方法将会越来越多样化和高效化。

3.气凝胶绝热材料在新能源汽车动力电池中的应用

动力电池的效能是决定电动汽车性能的重要指标参数。动力电池对温度非常敏感，温度直接影响到电池的冲放电效率、容量以及循环寿命等参数。因此一个性能好、效率高的隔热材料对动力电池而言具有重要的意义[7]。此外，随着电池技术的进步，电池的单位能量密度在迅速提升，随之而来的安全问题特别是电池的热失控问题被广泛关注。电池热失控指因各种因素引发的电芯温度激增，内部的电能和化学能大量转化为热能，导致电池的膨胀、冒烟、燃烧，进而引发整车燃烧的灾难性事故，造成人员伤害和财产的损失。

可能引发汽车动力电池热失控的因素很多，如在汽车事故中，高动能的释放，可能会让电池组挤压变形，甚至刺穿电池隔膜或引发电解液泄漏，导致电池短路、电池瞬间会释放出大量热量，从而诱发车内电池组热失控。此外，电池老化；热管理系统失效；电池不按规定使用，过充、过放电也能导致动力电池的热失控。

防止热失控，确保动力电池的安全运行，一直以来都是新能源车企关注及研发的重点。目前解决思路集中在两个方面，一是通过软、硬件结合的车辆热失控防护系统，监控电池的运行状态，遏制热失控现象的发生，或者尽量延缓热失控的蔓延时间，提升电池系统的安全性。另一条思路是通过使用隔热材料切断热量的传递，阻止和延迟热失控的发生。通过隔热材料保护电池已经成为车企首选的电池热失控解决方案。电动汽车中电池组常用的隔热材料很多，包括气凝胶、聚氨酯泡沫、玻璃纤维、石墨烯、聚酰亚胺薄膜等。这些隔热材料在电动汽车中起到了重要的作用，能够有效地保护电池组的温度稳定性，延长电池组的使用寿命，并提高电池组的安全性能。

其中气凝胶具有隔热、阻燃、易于加工的特性，是非常理想的隔热阻燃材料，正成为汽车厂商的首选材料。气凝胶绝热材料在新能源汽车动力电池中的应用主要体现在以下几个方面。

（1）电池内部的高温会导致电池寿命的缩短和安全性的降低，通过在电池模组中加入气凝胶绝热材料，可以有效地降低电池内部的温度，从而有效降低外界低温对电池的充放电效率、充电时间过长等不良影响。从而减少电池内部反应的能量损失，提高电池的效率。

（2）气凝胶良好的绝缘性能，可以避免电池内部出现短路等安全隐患。同时其稳定的化学性质和良好的耐候性也可以延长电池的使用寿命。

（3）气凝胶绝热材料具有低密度特性，在发挥隔热效能的同时，有效提高电池能量密度。气凝胶绝热材料的高孔隙度，可以起到吸声降噪、抗冲击性等功能[6]，应用于车体结构时，可提升乘车环境的舒适度，并且防水透气，有效抑制霉菌生长，改善车内环境质量。

（4）气凝胶隔热片可塑性较好，形状可以任意变化，以异形件的形式贴合在隔层中，减小电池组之间热量的传导，同时降低电池热失控时电池温度的骤然升高带来的风险[7]，为人员安全提供一定保障。

气凝胶隔热材料能大大提高电池模块的耐热性。气凝胶应用到动力电池热防护领域，可有效阻隔电池热失控引发的热蔓延情况，筑牢电池安全“防火墙”，保障生命财产安全。使用气凝胶隔热材料将电芯单元一个一个地隔离开来，可有效阻隔电芯间的热传递，避免电池组因部分电芯热失控所引发的多米诺效应，能有效延缓或者阻止热扩散，给车内人员足够的逃生时间，避免人员的伤害。因此，气凝胶隔热片已经成为电动汽车制造领域不可或缺新型材料。并逐渐成为动力电池安全防护领域的重要设计标准。

4.气凝胶绝热材料在新能源汽车动力电池保护中的研究方向

随着新能源汽车的快速发展，逐渐成为汽车市场的热门。而动力电池作为新能源汽车的核心部件，其性能的稳定和安全的保护对于车辆的工作效率和安全性至关重要。动力电池的保护成为了一个重要的研究领域。气凝胶作为一种轻质绝热的超级材料，在动力电池保护中应用的潜力巨大，本文将从气凝胶的制备和优化、封装技术及安全性等方面，简单阐述气凝胶在未来新能源汽车动力电池保护中的研究方向。以提高气凝胶绝热材料在动力电池保护中的应用效果，进一步提高电池的工作效率和安全性。

（1）气凝胶的封装技术：气凝胶绝热材料需要封装在动力电池模组中，以提供有效的绝热保护。因此研究如何实现材料的稳定封装、防止材料松散、脱落等问题，以保证气凝胶的长期稳定性和可靠性成为未来研究的方向之一。

（2）气凝胶的热稳定性研究：气凝胶绝热材料在高温条件下的热传导特性是影响其在动力电池保护中应用的关键因素。因此，有必要研究如何提高材料的耐高温性能、抗热膨胀性能，解决高温状态下的气凝胶疏水失活等问题，以确保材料在高温环境下的稳定性。

（3）绝热材料的稳定研究：气凝胶绝热材料需要具备防火性能和耐腐蚀性能，以确保电池的安全。研究如何提高材料的防火性能和耐腐蚀性能，以应对电池工作过程中可能出现的安全问题也是未来气凝胶在动力电池防护领域的重点研究方向。

（4）气凝胶制备工艺优化：目前业界普遍采用成本较高的超临界干燥工艺来生产气凝胶。制备工艺存在一定的复杂性和成本高昂的问题，限制了其大规模推广应用。未来必须要研究更简化和经济高效的制备方法，以降低成本并提高生产效率。

气凝胶绝热材料在新能源汽车动力电池保护领域的发展前景广阔。未来的研究可以在提高气凝胶性能、优化制备工艺、封装技术及安全性等方面进行探索，以进一步推动气凝胶在新能源汽车中的应用和发展。

5.结论

新能源汽车已成为未来乘用车制造领域的发展趋势。对电动汽车而言，提升续航里程一直是新能源汽车厂家研发的重要方向。其中，提高电池的能量密度成为研究的热点方向，但高能量密度电池往往伴随着产生热失控等安全问题。因此，气凝胶隔热材料作为汽车动力电池热管理的超级材料，必将扮演重要角色。本文详细介绍了气凝胶绝热材料在新能源汽车动力电池中的应用，包括其基本概念、制备方法、优点及应用以及未来研究方向等。可以看出，气凝胶绝热材料在新能源汽车中具有广泛的应用前景，希望上述研究能为新能源汽车的发展做出贡献。