气凝胶在锂电池热管理阻燃隔热中的应用

如今，热失控是动力电池安全事故的主要原因。高能量密度下，由于电池批次一致性、材料自身热稳定性、电池各组分间兼容性以及电解液高度易燃性等都会导致电池起火或爆炸。

而在电池单体发生热失控后，要求电池系统在5分钟内不起火不爆炸。而要实现“5min 的安全逃逸时间”，则需要对电池包的隔热材料多做改进，延缓故障电池包的爆炸时间。

随着中国新能源汽车市场和储能锂电市场持续快速增长，锂电池热管理阻燃隔热材料市场需求将呈现出井喷的发展趋势。

图片来源：高工产研新能源研究所（GGII）整理，2022年6月

阻燃泡棉价格低廉，同时柔韧性强，尺寸设计对于PACK方案灵活性高。目前阻燃泡棉以硅胶泡棉应用为主，主要用于电池包密封，以及部分低端车型的模组及电芯之间。但由于阻燃温度低，阻燃泡棉的使用比例逐步下降。

云母片有较好的耐冲击和绝缘性，主要用于模组与上盖板之间，随着对电池轻量化和耐高温性能的要求进一步提升，陶瓷化硅橡胶复合材料有望部分替代云母片安全件。

气凝胶是新一代高效节能隔热材料，与传统保温材料相比，二氧化硅气凝胶绝热毡的保温性能是传统材料的 2-8 倍，因此在同等保温效果下气凝胶用量更少。此外，气凝胶具备较长的使用寿命的优势，其使用寿命约为传统保温材料的 4 倍左右。

同时，出于对体积能量密度的追求，锂电池厂在 Pack 设计时给电芯之间隔热层预留的空间并不大，气凝胶兼具阻燃性能好及用量少的特点，成为锂电池电芯隔热材料的最佳选择。目前较为主流的隔热方案是在电芯之间放置气凝胶插片，同时在模组和上盖之间设置云母片。

图片来源：山西创青春

SiO₂ 气凝胶作为一种防火隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，是目前生产技术及商业化应用最为成熟的产品。

SiO₂ 气凝胶通常采用溶胶-凝胶法进行制备：首先选择合适的硅源和催化剂，并让硅源在催化剂条件下进行水解，水解产物中携带的羟基基团进行缩合反应后形成溶胶，溶胶粒子以链状结构组成粒子团簇，在容器中形成湿凝胶，最后通过干燥工艺将湿凝胶中的水分或溶剂除去，即可制得干凝胶，也称为气凝胶。制备过程中硅源的类型、催化剂的性能、以及干燥工艺的选择，都是影响SiO₂ 气凝胶结构与性能的重要因素。

硅源的选择：硅源大体上可以分为单一硅源、复合硅源、功能性硅源三大类，而单一硅源按照材料种类又可细分为无机硅源（硅酸钠）与有机硅源（正硅酸甲酯（TMOS）、正硅酸乙酯（TEOS））两种。以正硅酸甲酯和正硅酸乙酯为代表的有机硅源虽然成本相对较高，但是具有工艺适应性好、产品纯度高等显著优势，是目前规模化生产二氧化硅凝胶的主流选择。

干燥工艺：干燥工艺是SiO₂ 气凝胶由湿凝胶向干凝胶转变的关键步骤。干燥工艺要求在除去湿凝胶网络结构中填充的溶剂的同时，还要保持其网络结构不被破坏，目前工业化生产中主要使用超临界干燥技术和常压干燥技术。一般情况下，超临界干燥技术往往选择有机硅作为硅源进行生产，设备投资与能耗均高于常压干燥技术，但是产品纯度相对较高。

2020年以来，以宁德时代、中创新航、比亚迪等动力锂电池厂商纷纷应用气凝胶毡等材料提升电池包的热防控性能。除动力电池厂商以外，主机厂也积极参与到电池PACK设计中，在隔热阻燃材料方面提出新的技术方案，例如上汽荣威应用的“防火罩”产品。

伴随电池包对于安全性能要求的进一步提升，气凝胶在电池应用中不断渗透，一方面伴随下游的电池出货量的不断提升，作为PACK隔热材料的气凝胶应用将随之提升，同时伴随成本的管控和渗透率的提升，气凝胶的应用占比也将进一步增大，预期新能源电池也将带动气凝胶需求的快速放量，成为动力电池热管理领域的一大潜力市场。