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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。現(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、爆炸的風險。氣凝膠材料的應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注較少，但是當某電池單體觸發(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)過添加化學交聯(lián)劑產(chǎn)生化學交聯(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準，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的電池熱管理系統(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)構的拆解分析，所應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，是目前工程應用的最輕的固體材料。由其制成的氣凝膠氈導熱系數(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，氣凝膠片被認為是目前可應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標準
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ROHS標準
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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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氣凝膠隔熱板應用在鋰離子動力電池模組中時，低的導熱系數(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計了一種由隔熱材料和彈性材料復合制成的隔離板，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《車用動力電池熱防護與散熱集成研究》中，采用導熱系數(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于 700萬輛的銷量預期。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域，除應用于動力電池電芯之間的隔熱阻燃外，還可應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