“氣凝膠+陶瓷纖維紙”組合：有望成為新能源汽車阻燃新方向？

發(fā)布時間 | 2024-01-22 13:45 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點擊量 | 1396

干燥氧化硅氧化鋁

導(dǎo)讀：氣凝膠與陶瓷纖維紙的復(fù)合，不僅能進(jìn)一步提高復(fù)合材料的整體耐火度，同時更有利于發(fā)揮SiO2氣凝膠優(yōu)良的隔熱阻燃性能，在未來也有望成為應(yīng)用于新能源汽車鋰離子電池組熱管理、提高電池安全性能的...

近年來，新能源汽車市場迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)顯示，2023上半年，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷分別完成378.8萬輛和374.7萬輛，同比分別增長42.4%和44.1%。上截至上半年，中國新能源汽車保有量已超1620萬輛。

在新能源車不斷普及的同時，安全問題日益凸顯，尤其是電池安全，因此鋰離子電池?zé)峁芾碜枞几魺岵牧鲜袌鲂枨蟪尸F(xiàn)出井噴的發(fā)展趨勢。目前，為了維持較高的續(xù)航里程，高能量密度下熱失控是電池安全事故頻發(fā)的主要原因。為了避免事故發(fā)生，當(dāng)電池單體發(fā)生熱失控后，要求電池系統(tǒng)在5 min內(nèi)不起火、不爆炸，而要實現(xiàn)5 min的安全逃逸時間，因此需要對電池包的隔熱材料進(jìn)行改進(jìn)，延緩故障電池包的爆炸時間。

新能源車起火

隔熱材料的選擇

目前常用的動力電池保溫隔熱材料有泡棉、塑料泡沫、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板、二氧化硅氣凝膠等，電池組內(nèi)隔熱板是置于單體電芯之間，能夠有效延緩或阻斷單體電芯熱失控向整個電池系統(tǒng)的傳播的一種熱防護(hù)裝備。隔熱材料需要具備以下性能：

①阻燃、耐高溫；

②導(dǎo)熱系數(shù)低；

③不產(chǎn)生有毒氣體；

④防水防潮防震；

⑤質(zhì)輕價低厚度薄。

對于以上特征，氣凝膠可以說是完美符合。但由于氣凝膠有限的機(jī)械強(qiáng)度，往往會與其他材料進(jìn)行復(fù)合制備復(fù)合材料。因此有科學(xué)家提出，不妨結(jié)合“氣凝膠”以及“陶瓷纖維紙”來制備一種復(fù)合材料，就能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，增加其應(yīng)用領(lǐng)域。

1、氣凝膠

氣凝膠是一種分散介質(zhì)為氣體的、具有連續(xù)三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度固體材料。經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展后，一系列的具有不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及性能的氣凝膠相繼被合成，如各種烷氧基硅烷衍生的氧化硅氣凝膠、金屬氧化物氣凝膠、金屬單質(zhì)氣凝膠、高分子氣凝膠、碳?xì)饽z及新型納米碳?xì)饽z等。

氣凝膠材料

其中，SiO₂氣凝膠是一種獨特的納米多孔材料，其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中含有90%以上的空氣，具有許多獨特的性質(zhì)，如高比表面積（800～1000 m²/g）、低密度（可達(dá)3 kg/m³）、低導(dǎo)熱系數(shù)[室溫0.013 W/(m·K)]等，因此在保溫隔熱、吸附、光催化等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

2、陶瓷纖維紙

陶瓷纖維紙是一種由硅酸鋁耐火纖維通過濕法造紙工藝加工而成的一種陶瓷纖維制品，因其輕質(zhì)、耐高溫、絕緣性能好等特點而在各種工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它常被用作隔熱、隔音、防火材料，特別是在高溫環(huán)境下，如工業(yè)爐、熱處理設(shè)備、火箭發(fā)動機(jī)等的隔熱層。此外，陶瓷纖維紙也可用于電子器件、航天器件等領(lǐng)域，以滿足特殊環(huán)境下的絕緣和隔熱需求。根據(jù)纖維中氧化鋁含量的不同，分不同的耐火等級，普通陶瓷纖維紙長期使用溫度一般＞900℃，同時具有較好的抗拉強(qiáng)度。

陶瓷纖維紙及片材（來源：巴川コーポレーション）

3、二者復(fù)合的優(yōu)勢

雖然SiO₂氣凝膠材料具有優(yōu)異的隔熱性能，但由于自身機(jī)械強(qiáng)度較差，必須與合適的載體相復(fù)合才能更好發(fā)揮其性能優(yōu)勢，目前以玻璃纖維針刺毯、預(yù)氧絲纖維氈、聚酯纖維氈等材料為基材，通過超臨界工藝復(fù)合的SiO₂氣凝膠復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源汽車單體電池隔熱阻燃等領(lǐng)域——其中，新能源汽車鋰離子動力電池組隔熱阻燃是近幾年的研究熱點。

電池組

但由于普通無堿玻璃纖維基材長期最高使用溫度不超過650℃，有機(jī)纖維基材高溫下自身容易燃燒，因此需要有耐火度更高的基體材料與氣凝膠復(fù)合，才能充分發(fā)揮其隔熱阻燃優(yōu)勢，為電池組更好地提供保駕護(hù)航作用。

有研究表明，采用陶瓷纖維材料作為增強(qiáng)項，可以提高SiO₂氣凝膠復(fù)合材料的力學(xué)性能。鹿曉琨等人以耐溫1 300℃的陶瓷纖維紙（以下簡稱為“1300型陶瓷纖維紙”）為基材，吸附SiO₂氣凝膠后經(jīng)超臨界干燥工藝制備了SiO₂氣凝膠復(fù)合陶瓷纖維紙。

SiO₂氣凝膠復(fù)合陶瓷纖維紙宏觀表面形貌及微觀形貌

實驗結(jié)果表示，復(fù)合陶瓷纖維紙在300℃的導(dǎo)熱系數(shù)，會根據(jù)不同含量的SiO₂氣凝膠而改變，會呈現(xiàn)一個先降低后升高趨勢。這是因為剛開始隨著氣凝膠添加量的增多，復(fù)合纖維紙中引入的納米多孔結(jié)構(gòu)增多，有效地阻礙了熱量的對流傳遞，所以導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢，但隨著氣凝膠添加量的增多，氣凝膠自身固相熱傳導(dǎo)的作用越發(fā)顯現(xiàn)，當(dāng)氣凝膠添加量超過30%時，其自身固相熱傳導(dǎo)作用明顯高于納米孔結(jié)構(gòu)對熱量的對流傳遞阻礙作用，導(dǎo)致復(fù)合纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)不降反升。