气凝胶在锂电行业的应用

目前电池行业应用最广泛的就是锂离子电池了，从家电市场的手机、电脑、ipad，到动力领域的新能源汽车、游船，再到武器装备中用到的热电池，锂离子电池的身影无处不在。但是锂离子电池由于其结构特征及所使用的材料性质导致了其不可避免的安全性问题。比如，锂离子电池正负极之间隔膜的强度及热稳定性不够理想，容易导致电池内部短路；较高温度时，电池内部会发生强放热反应导致锂离子电池温度及内部压力的升高；锂离子电池的电解液及负极材料均为易燃材料等。

尤其在动力用锂离子电池场景，由于动力领域所需的总电压高、工作电流大等特殊性，往往需要成千上万只单体电池成组使用，这时候电池的安全问题就显得更加突出。例如特斯拉的汽车电池组使用了数千只锂离子电池单体。大量电池在密闭空间内紧凑排列，若因机械损伤、热冲击、内短路、过充等因素，导致某些单体进入热失控状态，就会使周围单体温度也升高，继而将热失控传播到整个电池组，最终造成整体燃烧、爆炸的灾难性后果。就目前的电池材料技术水平而言，该安全问题还未完全得到根本性解决。因此目前对锂离子电池进行隔热、阻燃、防火防护是减少锂离子电池发生热失控造成危害的一个有效手段。

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。

01、单体电芯气凝胶隔热防护

单体电芯的热失控是整个电池包热失控的源头，这是因为当某单体电芯触发热失控时，会产热量骤增，散热量远小于产热量，导致热量向周围电芯传递，继而会迅速引发周边电池大规模热失控，形成安全隐患。因此在电芯间进行热防护是消除整个电池包热失控安全隐患的一个有效手段。电芯间的热防护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，降低电池包的损害以及附带的破坏作用。

单体电芯间的隔热材料，作为一种能够有效延缓或阻断单体电芯热失控向整个电池系统的传播的一种热防护材料，必须具备以下几种条件:

a.阻燃(达到V0等级)

b.耐老化，化学性质稳定;

c.不产生有毒气体;

d.弹性好，导热系数低，防水防潮防振动;

e.质轻价低厚度薄

目前常采用的隔热材料有泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板、气凝胶等，各种隔热材料的优缺点：

气凝胶具有极低的导热系数，科研人员通过实验验证了气凝胶隔热板在单体电芯间的隔热防护作用。通过将6Ah容量组成20mm间隔距离模块包裹四块200mm隔热材料，并在两只单体间增加1cm厚度气凝胶隔热板（图一）进行热失控传播实验，验证了气凝胶隔板在单体电芯间隔热防护中对热失控的阻断作用。

实验结果显示，单体A发生热失控后，旁边未经热防护空白组单体B很快受热，出现热失控，而单体间设置气凝胶隔热板的实验单体B最高温度只有110℃，成功阻断了6Ah单体在20mm间距下的热失控传播，且未失控单体电压基本不变，对单体电芯爆炸引起电池包热失控的安全隐患起到很好的防护作用。

除此之外，气凝胶由于其优异的隔热阻燃性能，还可以进一步降减小单体间安全距离。为了节省更多空间，提高电池组总动力，气凝胶企业开发了一系列高性能超薄气凝胶隔热板，隔热纸等产品来迎合电池行业安全、高能量密度的需求。

02、电池组/箱整体防护

锂离子动力电池组热失控事故时有发生，有关锂离子动力电池系统热失控的防护除了在电池单体之间，电池模组之间以及电池箱与乘客舱之间也需要设置热防护，以提高热失控电芯向电池其他系统传热的热阻，从而达到阻碍热失控蔓延的目的。气凝胶毡除具有优异的隔热、防火、阻燃性能外，还具有柔软、可任意裁剪、加工的性能。可用于形状各异的电池模组、电池箱与乘客舱之间的隔热防护。

03、热电池用气凝胶防护

热电池由于具有放电电流密度大、存储寿命长、工作时不易受环境温度影响的特点，在武器领域得到广泛应用。从JAS-39轻型战斗机紧急救生电源采用的EAP-12188电池，全球定位远程炮上的GPS-9电池，声纳浮标上的AN/SSQ-62 C电池，到各类导弹、炮弹上都可以见到热电池的影子。热电池的一般工作温度在450"C～600"C之间，整个放电过程依赖于初始的热“输入”，而电池放电寿命依赖于电池冷却速率和电池的冷冻温度。

对于长寿命热电池来说，关键问题就是要有很好的保温材料。气凝胶保温毡具有超低的导热系数，最高使用温度可达到900-1100℃，使用气凝胶材料制作的热电池保温筒作为热电池的隔热层可以完美的解决航空航天、武器领域对热电池高性能、长寿命的要求。

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，应用范围也将从最早的军用热电池蔓延到更多的民用电池领域，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。