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〔中國化工報〕耐1200℃高溫氧化硅氣凝膠材料筑“防火墻” 動力電池有了安全“隔熱服”
時間：2023-08-24
來源：中國化工報
作者：楊芳
攝影： 編輯：韓子旭
上傳：
新能源汽車離不開新能源動力電池。然而動力電池一旦發生熱失控，從冒煙到爆炸僅需56秒。如何迅速阻斷某一個電芯熱失控時的熱傳遞？近日，江蘇先進無機功能復合料協同創新中心主任、南京工業大學材料科學與工程學院沈曉冬教授團隊研發的耐1200℃高溫氧化硅氣凝膠材料成功應用于鋰離子動力電池芯組間，為芯組構筑了一道高性能“防火墻”，為動力電池穿上安全“隔熱服”。
跨界：
從水泥到氣凝膠的完美轉身
氣凝膠是一種三維納米網絡結構的納米材料，具有低密度、高比表面積和低熱導率等優異性能。“氣凝膠納米級網狀骨構孔洞中超99%的空隙由空氣填充。”沈曉冬介紹說，“空氣是熱的不良導體，而氣凝膠中的空氣被網格絆住了‘腳’無法流動，因此導熱力較之空氣更低，成了隔熱‘明星’。”
2005年前，“專情”于水泥研究的沈曉冬，被氣凝膠隔熱特質所吸引，開始研究同屬硅酸鹽材料的氧化硅氣凝膠。
研究團隊最初采取的是將正硅酸四乙酯放入溶液中攪拌，將其水解成氧化硅水合粒子，使其在靜電作用簇擁下深入基材縫隙。“氣凝膠單體太過脆弱，無法獨當一面，必須借助基材的結構強度。”項目團隊成員孔勇副教授補充說。
如何提高氧化硅氣凝膠材料高溫結構穩定性，沈曉冬提出了用陶瓷作基材的新創意。他表示：“理想的網孔正在朝著期待的樣子逐漸形成，但是此時坐擁納米空隙的是酒精而非空氣。”
實驗表明，納米孔隙中飽含的液體在分離時會產生巨大張力，而這會讓網狀結構面臨崩塌的風險。如何有效地保護氣凝膠內部薄如蟬翼的網狀結構？“唯有氣體代替液體，才能改變張力消失所導致的變形。”沈曉冬說道。
解鎖：
超臨界態二氧化碳驅逐酒精
干燥釜內的二氧化碳在超臨界狀態下會同時擁有液態或氣態特征，表明當超臨界狀態的二氧化碳在氣體狀態時可抵消張力。于是，研究團隊利用這一特點，在超臨界狀態下“秒”抽酒精，由空氣代替酒精入駐孔隙，保護凝膠的網狀結構。“我們在動力電池每兩個電芯組之間放入研發的氣凝膠材料，并通過引爆其中一塊電芯，來考驗在氣凝膠保護下的其余四塊測試電芯，能否抵御高溫失控的危險。”項目團隊成員仲亞副教授介紹說，“經過多次試驗，他們發現電芯被引爆后高達1200℃的火焰沒有突破氣凝膠所筑就的“防火墻”，禍及其他電芯。”
今年5月，沈曉冬團隊研發的耐1200℃新型氣凝膠產品實現了量產，在鋰離子動力電池、儲能電池電芯間隔熱防護、高溫設備、熱力管道保溫等領域實現了應用，取得了良好的社會和經濟效益。
展望：
助力氣凝膠生產向“國際化”轉變
據沈曉冬介紹，氣凝膠材料已被列入戰略新興產業，隨著基礎研究的不斷深入，氣凝膠已從最初的氧化硅氣凝膠發展成能涵蓋眾多無機、高分子、金屬氣凝膠家族。多年來，他帶領團隊勤耕不輟，推動建立中國氣凝膠材料產業體系，助力我國氣凝膠新材料處于國際并跑領跑地位。
“我們研發的成果突破了氧化硅氣凝膠材料存在的耐高溫性能差等技術難點，建立了完整的自主知識產權體系。”項目團隊成員吳曉棟博士自豪地說。
研究團隊從2000年開始從事氣凝膠等納米材料研究。在20多個省部級及以上項目的支持下，研究團隊聚焦氣凝膠材料隔熱、吸附、載藥和光催化4個領域開展基礎研究和產業化工作，相關研究成果已在多家企業實現產業化應用。
沈曉冬表示，氣凝膠技術還有無限大的市場空間，作為研究者，他們還必須奮力攀登，齊心助力氣凝膠生產向“國際化”轉變。
2023年8月22日《中國化工報》2版：http://mpaper.ccin.com.cn:81/pc/page.do?pageId=669851&pId=1561
