摘要：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原因都会导致电池起火或爆炸。
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原因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。要实现“5min 的安全逃逸时间”，则需要对电池包的隔热材料做改进，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。
热管理材料
阻燃泡棉价格低廉，柔韧性好，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。
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。
气凝胶是锂电池隔热材料王者
气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充满气态分散介质的固体材料，是世界上最轻的固体。依赖于自身独特的结构，气凝胶通过无对流效应、无穷遮挡效应以及无穷长疏松路径效应具备了远超硅酸铝、玻璃棉等传统隔热材料的隔热性能。因而在具有极高的隔热要求，且需要轻度较低，稳定性较好的应用领域，气凝胶是极佳的应用材料。此外，气凝胶还具有良好的压缩性能，可作为缓冲材料用于电芯间，以适应电池在充放电过程中电芯的膨胀和收缩变化。
气凝胶
传统的电池模组采用PP、ABS、PVC等阻燃塑料隔板将单体电池相互隔开，并没有起到热隔离保护作用，还容易造成电池温度过高导致隔板溶解、着火等问题。气凝胶是目前可知的导热系数最低的固体材料，气凝胶绝热毡、隔热板、隔热纸等产品的隔热性能最高可达普通产品的5倍之多，加之优良的防火阻燃、柔软抗冲击、隔音降噪等功能，除在工业节能、民用保温等领域达到良好的推广外，随着气凝胶产业的发展，气凝胶在电池领域的应用也越来越广泛。
气凝胶隔热原理 参考资料：零碳技术研习社
新能源汽车方面，气凝胶是单位体积隔热效果最优，符合极高安全要求的高性能材料，可同时用于整车结构和汽车电池。气凝胶可在达到与传统隔热材料同样隔热效果的前提下减少 3-8 倍的厚度及重量，能够有效解决低温环境下磷酸铁锂电池的保温问题以及高温环境下三元电池热失控扩散问题，降低电车自燃的可能性，成为锂电隔热的首选材料。
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。
宁德时代麒麟电池电芯侧面采用气凝胶
比亚迪刀片电池
气凝胶在新能源汽车应用中的解决方案
动力电池模组简化图
目前动力电池系统热失控的研究，主要侧重于由单体电芯热失控触发继而传播到整个电池包的热失控安全问题方面，单体电芯的热失控是整个电池包热失控的源头，目前唯一的热防护方式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，来降低电池包的损坏和其他破坏作用。上图为动力电池模组简化图。
气凝胶毡在新能源汽车中的应用
气凝胶在动力电池中的应用
气凝胶复合陶瓷纤维纸
尽管气凝胶在保温隔热、吸附、光催化等领域均有广泛应用，但其自身机械强度较差，多以粉末、块状和小颗粒形态出现，限制了气凝胶的进一步应用，必须与合适的载体相复合才能更好发挥其性能优势，有效解决了气凝胶的力学性能差和制备困难等问题，同时保留了传统气凝胶的优异性能，为气凝胶的发展提供了新的途径。目前以玻璃纤维针刺毯、预氧丝纤维毡、聚酯纤维毡、陶瓷纤维等材料为基材。而陶瓷纤维纸以较好的拉升性能，低导热率、质轻、易切割成型等特点，在气凝胶复合材领域占据优势，尤其是在新能源汽车电池防火隔热领域。陶瓷纤维与气凝胶的结合，则为这一领域带来了颠覆性突破。这对“高温CP”如何通过协同效应改写绝热规则？
陶瓷纤维纸是由高纯度的硅酸铝耐火纤维，加上少量结合剂，通过湿法造纸、真空成型工艺加工而成的一种陶瓷纤维制品。该工艺使得纤维分布非常均匀，硅酸铝纤维纸的厚度与体积密度也能得到严格控制。
陶瓷纤维纸
陶瓷纤维纸具有一定的支撑性，其密度通常为200kg/m³，比陶瓷纤维布的密度小，也可以比陶瓷纤维布做成更薄的材料，可达到0.5mm，具有低热导率，低热容量，隔热性能优良，电气绝缘性能优良，高温下不导电的特性。
陶瓷纤维纸还可以根据纤维中氧化铝含量的不同，分成不同的耐火等级，普通陶瓷纤维纸长期使用温度一般＞900 ℃。
气凝胶复合陶瓷纤维纸的制备方法
气凝胶陶瓷纤维纸的生产包含制备陶瓷纤维纸，以及将其与气凝胶进行复合。
在制备陶瓷纤维纸的过程中，需要选择适当的纤维材料、粘合剂和制备工艺，以确保纸的强度和均匀性。在复合过程中，需要将气凝胶均匀地分散在陶瓷纤维中，并经过热处理等工艺步骤，使气凝胶与陶瓷纤维材料紧密结合在一起。
主要步骤：
(1)根据制备的气凝胶品种，选择原材料，配制溶胶。
(2)陶瓷纤维纸与溶胶通过浸渍、喷淋、涂布等方式进行复合，并在催化剂作用下形成凝胶。
复合工艺则是将气凝胶与陶瓷纤维纸相结合，使气凝胶均匀地填充于陶瓷纤维纸的孔隙结构中，形成气凝胶复合陶瓷纤维纸。这一环节是决定材料最终性能的关键，其工艺的优劣直接影响产品的隔热、力学等性能指标。复合成型是将气凝胶与陶瓷纤维纸结合的关键步骤，也是上海联净设备发挥重要作用的环节。目前主要采用浸渍-辊压复合工艺，此工艺中，上海联净的辊压设备凭借其先进的技术和精准的控制能力，确保了复合过程的高效与稳定。
热压复合设备 图片来自上海联净自动化科技有限公司
辊压设备中的辊筒采用特殊材质和加工工艺制成，具有良好的耐磨性、耐高温性和表面光洁度。其工作原理基于辊筒之间的挤压和摩擦作用，对经过浸渍和干燥后的气凝胶复合陶瓷纤维纸进行进一步加工处理。
在辊压过程中，上下辊筒以一定的速度差相对转动，使材料在通过辊隙时受到均匀的压力和剪切力。这种力的作用一方面能够使气凝胶与陶瓷纤维纸之间的结合更加紧密，消除内部孔隙和气泡，提高材料的致密度和均匀性；另一方面，通过调整辊筒的压力、温度和转速等参数，可以精确控制材料的厚度、密度和表面平整度，满足不同应用场景对产品性能的要求。
电磁加热辊 图片来自上海联净电子科技有限公司
例如，在生产对表面平整度要求较高的气凝胶复合陶瓷纤维纸用于电子设备隔热垫片时，可通过降低辊筒转速、增加压力，使材料表面更加光滑平整；而对于需要较高密度和强度的航空航天用隔热材料，则适当提高辊筒温度和转速，增强气凝胶与陶瓷纤维纸的融合程度，提升材料的综合性能。
此外，上海联净的辊筒还配备了先进的温度控制系统和压力传感器。温度控制系统能够实时监测和调节辊筒表面温度，确保在辊压过程中材料不会因温度过高而发生性能劣化；压力传感器则可以精确测量辊隙间的压力大小，并将数据反馈给控制系统，实现压力的自动调节，保证辊压过程的稳定性和产品质量的一致性。
辊压设备 图片来源于上海联净自动化科技有限公司
(3)复合后的凝胶体在一定条件下老化一定时间，使凝胶结构更稳定。
(4)采用相应的干燥工艺制成气凝胶复合纸。
随着我国气凝胶产业的发展，气凝胶在电池领域的应用产品形式将更加多样化，如新能源动力电池、电子设备用锂离子电池、蓄电池等方面的保温隔热阻燃防护。其它领域的气凝胶产品需求也会不断上升，根据IDTechE预测，未来随着绿色建材思想加深以及新能源汽车需求快速增长，建筑建造和交通的需求占比在2026年将分别上升至14%和13%。据Global Market Insights预测，到2027年陶瓷纤维增强气凝胶市场规模将达74亿美元，在钢铁、新能源等领域的渗透率将超过35%。这对“高温CP”正以科技之力，重新定义人类对抗极端温度的边界。
来源：锂电动态一点号