他們給動力電池穿上安全“隔熱服”

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？

今年5月，南京工業大學材料科學與工程學院教授沈曉冬團隊在國際上首創的1200℃新型氣凝膠產品問世，并在江蘇珈云新材料有限公司完成A輪融資，實現了高性能氧化硅氣凝膠系列產品量產。

 這款氧化硅氣凝膠材料應用于鋰離子動力電池芯組間的隔熱，為芯組筑構了一道高性能“防火墻”，為人民生命安全穿上了“防護服”。

從水泥到氣凝膠的完美轉身

自上世紀30年代材料誕生之日起，氣凝膠便是明星材料，上世紀90年代起更享有“十大新材料之首”美譽。

氣凝膠作為綠色環保新型材料可廣泛應用于石油化工、軌道交道、電力工業、井下作業、城鎮熱管和建筑節能等廣闊領域，深受市場歡迎，并被列入戰略新興產業。

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’。”

2000年起，“專情”于水泥研究的沈曉冬，被氣凝膠的多項優異性能吸引，承擔國家任務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水解成的氧化硅水合粒子，使其在靜電作用簇擁深入基材縫隙。“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。”團隊成員、南京工業大學副教授孔勇補充道。

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。“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。”

超臨界態二氧化碳驅逐酒精

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。

“就好像濕了的衣服晾干容易起皺褶、變形。”沈曉冬介紹道，潮濕的衣服表面的水份自帶張力，衣服脫水（干燥）后表面的張力隨水份消失而消失。如何有效地保護氣凝膠內部薄如蟬翼的網狀結構？“氣體，唯有氣體代替液體，才能改變張力消失所導致的變形。”

干燥釜內的二氧化碳在特定溫度和壓力，即超臨界狀態下會同時擁有液態或氣態特征，這表明當超臨界狀態的氧化碳呈氣體時可抵消張力。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。”團隊成員、南京工業大學副教授仲亞表示，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。

“我們的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。”團隊成員、南京工業大學博士吳曉棟自豪地說。

據沈曉冬介紹，我國應用于電池電芯隔熱的氣凝膠絕熱產品年銷售額已逾10億元，隨著動力電池和儲能電池對安全性要求不斷提升，氣凝膠材料未來市場潛力很大。