气凝胶材料在新能源汽车上的应用

气凝胶，又称为干凝胶，是化学溶液经反应，先形成溶胶，再凝胶化获得的凝胶，除去凝胶中的溶剂，获得的一种空间网状结构中充满气体，外表呈固体状密度极低的（接近空气密度）多孔材料。

气凝胶具有超轻、低密度、纳米微孔，特征是，具有超细蜂窝孔尺寸和多孔结构，由相互连接的聚合链连接而成。孔径一般低于100nm，气凝胶颗粒尺寸通常小于20nm。
 

气凝胶复合材料，是由两种或两种以上具有不同化学和物理性质的材料制成；一种材料形成基体（或连续相），其它材料形成分散相。气凝胶复合材料中，气凝胶可被用作基体，也可用作分散相。气凝胶，按照其基体的化学性质可分为4大类：无机气凝胶材料，有机气凝胶材料，混合气凝胶材料和复合气凝胶材料。

 

 

 

二氧化硅气凝胶是一种分散介质为气体的多孔性固体材料，是目前工程应用的最轻的固体材料。由其制成的气凝胶毡导热系数为0.020W/(m·K)，甚至更低，且具有超疏水、A1级阻燃、使用温度范围广（-200~650℃）、寿命长、抗压、无毒。与传统保温隔热材料相比，同等隔热效果下，气凝胶材料厚度只有传统保温隔热材料的1/2-1/5。

电芯间的热防护是在电芯间增加隔热层，以阻断热失控从失控单体电芯向周围电芯传播，降低电池包的损害以及附带的破坏作用。气凝胶材料导热系数低，防火、防水性能优异，占用空间小，寿命长，且对环境无污染，是最佳的汽车电池隔热材料。同时，动力电车的性能受温度影响较大，温度过低会影响到再生制动系统的性能，充电速度过慢而且充不满电，气凝胶也能保障电池温度不会过低。

 

 

气凝胶在电池中的隔热原理

 

除此之外，气凝胶由于其优异的隔热阻燃性能，还可以进一步降减小单体间安全距离。为了节省更多空间，提高电池组总动力，气凝胶企业开发了一系列高性能超薄气凝胶隔热板，隔热纸等产品来迎合电池行业安全、高能量密度的需求。

特斯拉、宁德时代、上汽通用、宇通客车等公司的解决方案是在电芯之间放置气凝胶。

 

 

Tesla公司在其汽车锂离子电池组的专利中设计了一种由隔热材料和弹性材料复合制成的隔离板，放置于电池模块不同列单体之间，以此来阻断相邻单体间的热失控传播。在《车用动力电池热防护与散热集成研究》中，采用导热系数约为0.020W/（m·K）的隔热板，以方形三元锂离子电池为对象建立电池组仿真模型，提出了在电池组内交替安置隔热板与热管的集成热管理方案，不仅可以提高电池组散热能力，改善电池组内部温度分布均匀性，同时能够大幅度延长热失控传播时间，提高电池组运行安全性能。其次，将隔热板厚度由1mm增加到2mm，还可以完全阻断热失控的传播。

 

单体温度与空白组单体温度曲线对比

 

根据上汽通用公司介绍，公司在纯电动MAV别克微蓝的电芯之间加入了纳米级气凝胶，为别克微蓝410KM版140Wh/kg的高电池能量密度和13.1kW·h的低能耗做出了贡献，强化了别克微蓝电池组的安全性，为别克微蓝的高压系统能满足系统安全ASILD（汽车安全性等级最高等级）标准奠定了基础。

 

锂离子动力电池组热失控事故时有发生，有关锂离子动力电池系统热失控的防护除了在电池单体之间，电池模组之间以及电池箱与乘客舱之间也需要设置热防护，以提高热失控电芯向电池其他系统传热的热阻，从而达到阻碍热失控蔓延的目的。气凝胶毡除具有优异的隔热、防火、阻燃性能外，还具有柔软、可任意裁剪、加工的性能。可用于形状各异的电池模组、电池箱与乘客舱之间的隔热防护。

 

动力电池模组用气凝胶隔热片和IXPE隔热泡棉性能对比

 

 

随着气凝胶材料市场价格不断下降，目前在工业绝热领域，采用气凝胶材料的工程总造价已经接近采用传统保温材料。圣诺节能预测，气凝胶快速发展的拐点其实已经悄然到来，气凝胶行业整体上进入爆发式的增长阶段，预计年复合增长率高达55%以上，并在未来10年将迅速替代传统绝热材料，，未来5~10年，可能达到每年19~170亿美元的规模。随着气凝胶材料工艺的成熟和生产规模的扩大，在新能源汽车动力电池中的应用和市场渗透率也必将随着新能源汽车的行业增长而激增。

 

2020年（左）和2025年（右）气凝胶市场份额（亿美元）

 

参考文章：

【1】气凝胶在电池行业的应用[DB/OL].https://www.sohu.com/a/293492919_655347,2019-02-06