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隨著國家對新能源汽車發(fā)展的大力支持，電動汽車產(chǎn)銷數(shù)量快速增長，產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快?，F(xiàn)階段，電動汽車主要以鋰離子電池作為動力電池，經(jīng)過多年的發(fā)展，鋰離子動力電池的安全性已經(jīng)得到顯著的提高，但在極端條件下，鋰電池仍然存在燃燒、爆炸的風(fēng)險。氣凝膠材料的應(yīng)用進一步加強動力電池防火要求，保障人民生命財產(chǎn)安全。
新能源汽車主要的動力源來源于動力電池系統(tǒng)，其決定著新能源汽車的行車性能、安全性能和壽命。尤其是純電動汽車，所有的動力都來源于其電池系統(tǒng)。動力電池系統(tǒng)一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機械系統(tǒng)等構(gòu)成。動力電池模組由幾顆到數(shù)百顆電池芯經(jīng)由并聯(lián)及串聯(lián)所組成。車輛在不同的行駛狀況和環(huán)境下，單體電芯由于其自身電阻，在輸出電能的同時會產(chǎn)生一定的熱量，使自身溫度變高。高溫工作環(huán)境和激烈碰撞是破壞鋰離子電池、引起電池燃燒、爆炸的最大的兩大元兇，而動力電池系統(tǒng)在工作過程產(chǎn)生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi)，熱量如果不能夠及時地快速散出，電池模組的壽命和性能會受到很大影響，甚至出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致起火爆炸等，所以國內(nèi)新能源動力電池系統(tǒng)熱管理較多的關(guān)注在散熱上和單體級別的熱失控機理和特征研究。對于電芯之間的高效隔熱阻燃和熱失控防護關(guān)注較少，但是當(dāng)某電池單體觸發(fā)熱失控時，產(chǎn)熱量驟增，散熱量遠小于產(chǎn)熱量，熱量向周圍電池傳遞，會迅速引發(fā)周邊電池大規(guī)模熱失控，形成由單體熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個電池系統(tǒng)的熱失控級別引起的安全隱患。因此有必要在電池單體之間增加隔熱板，減緩熱失控的傳播速度，采取進一步消防措施爭取時間。
近年來，針對電池組的熱失控傳播問題主要通過在電池組內(nèi)增加隔熱層，阻斷熱失控從失控單體向周圍傳播，來實現(xiàn)降低電池組的損害以及附帶的破壞作用。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裝備。需要具備以下性能：
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阻燃、耐高溫。
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導(dǎo)熱系數(shù)低。
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不產(chǎn)生有毒氣體
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防水防潮防震
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質(zhì)輕價低厚度薄。
泡棉是塑料粒子發(fā)泡過的材料，具有有彈性、重量輕、隔熱等特點。泡棉有多種種類，比如PU、PE、CR、EVE泡棉等。可應(yīng)用于動力電池電芯間隔熱的泡棉主要有PU、XPE、IXPE泡棉。PU泡棉在上時間壓力下仍具有非常好的回彈性，適用于軟包電池的電芯隔熱防震材料，但是PU泡棉燃燒時會釋放有毒氣體，不適用于純電動或插式混合電動等新能源汽車。XPE泡棉經(jīng)過添加化學(xué)交聯(lián)劑產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)后發(fā)泡而成的泡棉，主要特點是性能好，泡孔大，產(chǎn)品一般以3MM以上的厚度為主。IXPE泡棉是經(jīng)過輻照交聯(lián)后發(fā)泡而成的泡棉產(chǎn)品，主要特點是泡孔細(xì)膩，表觀美觀，性能優(yōu)異，而且環(huán)保性能非常不錯，能達到歐盟的檢測標(biāo)準(zhǔn)，是一種非常適合的動力電池隔熱材料。但是該方法由于輻照設(shè)備昂貴、射線穿透力差，不適用于制備厚度較大的發(fā)泡體。其次，基于PE材料本身的特性，其在120℃作用就會發(fā)生軟化或較大形變，當(dāng)電芯發(fā)生著火危險后，也不能起到很好的阻燃作用。通用汽車公司 Volt的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的隔熱方式就是采用了在電芯與電芯之間放置泡棉的方式，但是對通過對VOLT模組結(jié)構(gòu)的拆解分析，所應(yīng)用的泡棉并沒有出現(xiàn)離火自熄現(xiàn)象，也意味著不是國標(biāo)所要求的V0。
二氧化硅氣凝膠是一種分散介質(zhì)為氣體的多孔性固體材料，是目前工程應(yīng)用的最輕的固體材料。由其制成的氣凝膠氈導(dǎo)熱系數(shù)為0.020W/(m·K)，甚至更低，且具有超疏水、A1級阻燃、使用溫度范圍廣（-200~650℃）、壽命長、抗壓、無毒。 與傳統(tǒng)保溫隔熱材料相比，同等隔熱效果下，氣凝膠材料厚度只有傳統(tǒng)保溫隔熱材料的1/2-1/5?；跉饽z上述特點和動力電池隔熱板的需求，氣凝膠片被認(rèn)為是目前可應(yīng)用于新能源汽車及動力電池最薄最高效的保溫隔熱材料。
左：動力電池隔熱用氣凝膠片、右：動力電池專用隔熱泡棉
動力電池模組用氣凝膠隔熱片和IXPE隔熱泡棉性能對比：
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FRM-A-600氣凝膠材料
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IXPE泡棉
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密度 (Kg/m3)
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200
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200（5倍發(fā)泡）
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導(dǎo)熱系數(shù) (W/mk)
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0.017
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0.095
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使用溫度 (℃)
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-200~600℃
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-60~120℃
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阻燃性能
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建筑A1級/UL94V0
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UL94HB
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吸水率 室溫24h (%)
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＜1%
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<0.2
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環(huán)保無毒性
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ROHS標(biāo)準(zhǔn)
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ROHS標(biāo)準(zhǔn)
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高溫形變120℃，24h (%)
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無
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收縮10%
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拉伸強度 (MPa)
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0.4
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橫向>1.3、縱向>1.5
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斷裂伸長率 (%)
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8.53
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200
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常規(guī)厚度（mm）
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0.5/1/2/3/6/10
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0.5/1/3/10
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氣凝膠隔熱板應(yīng)用在鋰離子動力電池模組中時，低的導(dǎo)熱系數(shù)可以有效阻隔電芯在大倍率下充放電急劇產(chǎn)生的熱量擴散；當(dāng)電芯發(fā)生熱失控時可以起到隔熱作用，延緩或阻斷事故發(fā)生；當(dāng)電芯過熱發(fā)生燃燒時，氣凝膠隔熱板達到建筑A級不燃的性能也能夠有效阻斷或延緩火勢蔓延，為逃生提供足夠的時間。因此，氣凝膠片隔熱板在提高新能源汽車動力電池組安全性能方面能夠發(fā)揮非常重大的作用。
Tesla 公司在其汽車鋰離子電池組的專利中設(shè)計了一種由隔熱材料和彈性材料復(fù)合制成的隔離板，放置于電池模塊不同列單體之間，以此來阻斷相鄰單體間的熱失控傳播。在《車用動力電池?zé)岱雷o與散熱集成研究》中，采用導(dǎo)熱系數(shù)約為0.020 W/（m·K）的隔熱板，以方形三元鋰離子電池為對象建立電池組仿真模型，提出了在電池組內(nèi)交替安置隔熱板與熱管的集成熱管理方案，不僅可以提高電池組散熱能力，改善電池組內(nèi)部溫度分布均勻性，同時能夠大幅度延長熱失控傳播時間，提高電池組運行安全性能。其次，將隔熱板厚度由1mm增加到2mm，還可以完全阻斷熱失控的傳播。
氣凝膠片隔熱板的市場前景
電動汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由培育期進入成長期，根據(jù)工信部編制《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》和中銀證券測算，預(yù)計 2020 年整體產(chǎn)銷 200萬輛；《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》還明確了到 2025 年，新能源汽車銷量占總銷量的比例達到 20%以上。如果 2025年全國汽車銷量達到 3,500萬輛，那么新能源汽車相當(dāng)于 700萬輛的銷量預(yù)期。隨著新能源汽車的發(fā)展，人們對新能源汽車的安全性能越來越重視。氣凝膠隔熱片雖然價格高于傳統(tǒng)泡棉隔熱材料，但是安全性能遠遠高于傳統(tǒng)隔熱材料，是公認(rèn)的最佳的動力電池隔熱阻燃材料，因此，在對安全性能要求較高的電動客車和高檔新能源轎車中，氣凝膠隔熱片無疑是最佳的選擇。隨著氣凝膠材料工藝的成熟和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，其價格必然會下降，在新能源汽車動力電池中的應(yīng)用和市場滲透率也必將隨著新能源汽車的行業(yè)增長而激增。
氣凝膠材料在新能源汽車領(lǐng)域，除應(yīng)用于動力電池電芯之間的隔熱阻燃外，還可應(yīng)用于模組于殼體之間的隔熱防震、電池箱的外部防寒層和高溫隔熱層。
來源：材料+
中國科技網(wǎng)：中國科技人員攻克世界難題，氣凝膠材料連續(xù)式全自動生產(chǎn)將成可能