为新能源电池装上“防火墙”——南京工业大学耐高温气凝胶隔热片开发纪实

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（来源：中化新网）

　　电动车电池起火爆炸的新闻曾频频引发人们担忧。其症结在于，电池组内单个电芯在热失控时，温度可在数秒内急剧攀升超过650℃，甚至高达1000℃以上，并诱发相邻电芯像爆竹一样接连爆炸。要阻断这种连锁反应，关键是在电芯之间放置耐高温隔热片。

　　气凝胶因其近乎绝热的性能和极轻的质量，成为隔热片的“天选”材料。然而，早期产品的耐温上限仅为300℃左右，远不足以抵御热失控时的高温冲击。近日，南京工业大学沈晓冬教授团队宣布，历经20余年攻关，成功研发出全球首款可耐受1300℃高温的新能源锂离子电池用高热阻气凝胶隔热片，热隔绝时间可达2小时。目前，该材料已广泛应用于高温窑炉、航空航天以及宁德时代、比亚迪、阳光电源、小米汽车等企业的动力电池中。

隔热材料界的“超级明星”

　　在电镜扫描下，气凝胶呈现纳米级的网状骨架，其中99%的孔隙是被空气填充。“空气是热的不良导体，被网‘绊住脚’的空气在气凝胶内无法流动，所以气凝胶的导热性能比空气还差，成为隔热材料界的‘超级明星’。”团队成员、南京工业大学吴晓栋副教授介绍道。

　　2010年后，新能源汽车产业全面爆发，电池隔热材料的需求也随之猛增。宁德时代等电池厂商尝试了许多隔热材料，最终认为气凝胶是最合适的电池隔热材料。但是，锂电池热失控时温度会达到1000℃甚至更高，当时的气凝胶材料远不能耐受如此高的温度。“这是因为气凝胶材料的纳米孔骨架结构在高温下不够稳定，容易坍塌。”沈晓冬解释道。

　　如何让气凝胶的结构耐高温?团队无数次试错后发现，催化剂的酸碱度是关键：偏酸环境下，纳米颗粒之间“胶合力”太弱;调成偏碱性，颗粒就黏得更牢，骨架变得稳固。最终，团队做出了厚度仅2.3毫米的隔热片，对其中一侧进行持续5分钟的1000℃高温加热，另一侧温度仍不超过100℃。

超临界干燥“空气换酒精”

　　造出好材料，只是第一步。如何将材料制成隔热产品，核心卡点在于湿凝胶干燥。“这是因为气凝胶单体太过脆弱，无法‘独当一面’，必须借助基材的结构强度。”沈晓冬介绍。于是，研究团队借助耐受温度和气凝胶接近的陶瓷基材，将含有大量酒精和水的湿凝胶溶液浸到陶瓷纤维中，制成高湿凝胶，但是此时凝胶纳米孔隙里全是酒精，而非空气。

　　如何将酒精换成空气，又不破坏脆弱的网状结构?如果直接将孔隙中的酒精分离出来，就会让网状结构面临崩塌的风险。“形象地说，这就好像衣服在晾干后容易变形，原因是衣服表面的水分自带张力，脱水后容易收缩。”沈晓冬介绍。

　　于是，团队探索采用超临界干燥技术来进行“空气换酒精”。超临界干燥技术就是把二氧化碳变成一种既像液体又像气体的超临界状态，该状态下的二氧化碳可以抵消酒精脱离出纳米网状结构的张力，将湿凝胶纳米孔中的酒精“萃取”出来。接下来，团队再通过泄压使二氧化碳变为气态逸出，空气就会立即“钻”入孔隙，保全“薄如蝉翼”的纳米网状骨架。经过系列攻关，团队持续优化高效超临界干燥技术，使乙醇回收率超99.5%，原料损耗降低90%，生产成本直降50%。

　　工艺稳定性问题解决后，实际应用场景又带来新问题。传统二氧化硅气凝胶是典型的脆性材料，一捏就碎。但新能源电池在充放电时会反复膨胀、收缩，不断挤压隔热片。这需要气凝胶既要柔软有弹性，还不能破坏纳米结构。团队从硅橡胶的结构里得到启发，有选择地“敲除”纳米网格上的一些连接点，让整张网变得松散有弹性又不散架，弹性压缩率超90%，可完美适配电池充放电时的体积膨胀与收缩，弯折、挤压后，气凝胶材料可立即恢复原状，无任何破损。

　推动实验室样品走向市场

　　从实验室的样品到可以批量生产的商品，这条路，沈晓冬团队走得并不容易。2020年，宁德时代提出要求，需要一款能抗住1000℃的气凝胶隔热产品，当时，全球尚无研发先例。“那3个月，团队提方案、做小样、推翻，再提方案……供应链、配方、稳定性问题一个接一个。”沈晓冬回忆。最终，团队做出了耐1200℃的气凝胶产品，成为全球耐温最高的气凝胶产品。后来，宁德时代开始布局飞行汽车等方向，对气凝胶产品的耐热性能有了更高要求，团队继续升级产品性能，制作出耐受1300℃的产品。

　　“把技术变成商品这件事太难了。”回顾研究历程，沈晓冬感慨道，“但是产业有需要，我们又懂气凝胶，攻坚克难就义不容辞!”

　　谈及未来，沈晓冬充满期待：“二氧化硅气凝胶只是气凝胶家族中的一员，经过多年技术迭代，团队已研发出碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼等多种耐高温气凝胶隔热材料，未来将开拓气凝胶材料在建筑节能、商业航天、太空算力、生物制药等领域的应用，推动建立中国的气凝胶纳米材料产业体系。”