氣凝膠材料在電池行業中的重大應用有哪些?

目前電池行業應用最廣泛的就是鋰離子電池瞭,從傢電市場的手機、電腦、ipad,到動力領域的新能源汽車、遊船,再到武器裝備中用到的熱電池,鋰離子電池的身影無處不在。但是鋰離子電池由於其結構特征及所使用的材料性質導致瞭其不可避免的安全性問題。比如,鋰離子電池正負極之間隔膜的強度及熱穩定性不夠理想,容易導致電池內部短路;較高溫度時,電池內部會發生強放熱反應導致鋰離子電池溫度及內部壓力的升高;鋰離子電池的電解液及負極材料均為易燃材料等。

尤其在動力用鋰離子電池場景,由於動力領域所需的總電壓高、工作電流大等特殊性,往往需要成千上萬隻單體電池成組使用,這時候電池的安全問題就顯得更加突出。例如特斯拉的汽車電池組使用瞭數千隻鋰離子電池單體。大量電池在密閉空間內緊湊排列,若因機械損傷、熱沖擊、內短路、過充等因素,導致某些單體進入熱失控狀態,就會使周圍單體溫度也升高,繼而將熱失控傳播到整個電池組,最終造成整體燃燒、爆炸的災難性後果。就目前的電池材料技術水平而言,該安全問題還未完全得到根本性解決。因此目前對鋰離子電池進行隔熱、阻燃、防火防護是減少鋰離子電池發生熱失控造成危害的一個有效手段。

氣凝膠材料在電池行業中的重大應用有哪些?

氣凝膠是目前可知的導熱系數最低的固體材料, 氣凝膠絕熱氈氣凝膠隔熱板氣凝膠隔熱紙等產品的隔熱性能最高可達普通產品的5倍之多,加之優良的防火阻燃、柔軟抗沖擊、隔音降噪等功能,除在工業節能、民用保溫等領域達到良好的推廣外,隨著氣凝膠產業的發展,氣凝膠在電池領域的應用也越來越廣泛。

單體電芯氣凝膠的隔熱防護

單體電芯的熱失控是整個電池包熱失控的源頭,這是因為當某單體電芯觸發熱失控時,會產熱量驟增,散熱量遠小於產熱量,導致熱量向周圍電芯傳遞,繼而會迅速引發周邊電池大規模熱失控,形成安全隱患。因此在電芯間進行熱防護是消除整個電池包熱失控安全隱患的一個有效手段。電芯間的熱防護是在電芯間增加隔熱層,以阻斷熱失控從失控單體電芯向周圍電芯傳播,降低電池包的損害以及附帶的破壞作用。

單體電芯間的隔熱材料,作為一種能夠有效延緩或阻斷單體電芯熱失控向整個電池系統的傳播的一種熱防護材料,必須具備以下幾種條件:

  • a.阻燃(達到V0等級)
  • b.耐老化,化學性質穩定;
  • c.不產生有毒氣體;
  • d.彈性好,導熱系數低,防水防潮防振動;
  • e.質輕價低厚度薄

目前常采用的隔熱材料有泡沫塑料、超細玻璃棉、高矽氧棉、真空隔熱板、氣凝膠等.

氣凝膠材料在電池行業中的重大應用有哪些?

氣凝膠具有極低的導熱系數,科研人員通過實驗驗證瞭氣凝膠隔熱板在單體電芯間的隔熱防護作用。通過將6Ah容量組成20mm間隔距離模塊包裹四塊200mm隔熱材料,並在兩隻單體間增加 25px 厚度氣凝膠隔熱板進行熱失控傳播實驗,驗證瞭氣凝膠隔板在單體電芯間隔熱防護中對熱失控的阻斷作用。

實驗結果顯示,單體A發生熱失控後,旁邊未經熱防護空白組單體B很快受熱,出現熱失控,而單體間設置氣凝膠隔熱板的實驗單體B最高溫度隻有110℃,成功阻斷瞭6Ah 單體在 20mm 間距下的熱失控傳播,且未失控單體電壓基本不變,對單體電芯爆炸引起電池包熱失控的安全隱患起到很好的防護作用。

除此之外,氣凝膠由於其優異的隔熱阻燃性能,還可以進一步降減小單體間安全距離。為瞭節省更多空間,提高電池組總動力,氣凝膠企業開發瞭一系列高性能超薄氣凝膠隔熱板,隔熱紙等產品來迎合電池行業安全、高能量密度的需求。

氣凝膠材料在電池行業中的重大應用有哪些?
圖一:單體間設置1cm氣凝膠隔熱板實驗安裝圖
氣凝膠材料在電池行業中的重大應用有哪些?
圖二:單體間設置隔熱板熱失控傳播阻斷實驗 B 單體溫度與空白組 B 單體溫度曲線對比

電池組/箱整體防護

鋰離子動力電池組熱失控事故時有發生,有關鋰離子動力電池系統熱失控的防護除瞭在電池單體之間,電池模組之間以及電池箱與乘客艙之間也需要設置熱防護,以提高熱失控電芯向電池其他系統傳熱的熱阻,從而達到阻礙熱失控蔓延的目的。氣凝膠氈除具有優異的隔熱、防火、阻燃性能外,還具有柔軟、可任意裁剪、加工的性能。可用於形狀各異的電池模組、電池箱與乘客艙之間的隔熱防護。

氣凝膠材料在電池行業中的重大應用有哪些?

熱電池用氣凝膠防護

熱電池由於具有放電電流密度大、存儲壽命長、工作時不易受環境溫度影響的特點,在武器領域得到廣泛應用。從JAS-39輕型戰鬥機緊急救生電源采用的EAP-12188電池,全球定位遠程炮上的GPS-9電池,聲納浮標上的AN/SSQ-62 C電池,到各類導彈、炮彈上都可以見到熱電池的影子。熱電池的一般工作溫度在450″C~600″C之間,整個放電過程依賴於初始的熱“輸入”,而電池放電壽命依賴於電池冷卻速率和電池的冷凍溫度。

對於長壽命熱電池來說,關鍵問題就是要有很好的保溫材料。氣凝膠保溫氈具有超低的導熱系數,最高使用溫度可達到900-1100℃,使用氣凝膠材料制作的熱電池保溫筒作為熱電池的隔熱層可以完美的解決航空航天、武器領域對熱電池高性能、長壽命的要求。

氣凝膠材料在電池行業中的重大應用有哪些?

隨著我國氣凝膠產業的發展,氣凝膠在電池領域的應用產品形式將更加多樣化,應用范圍也將從最早的軍用熱電池蔓延到更多的民用電池領域,如新能源動力電池、電子設備用鋰離子電池、蓄電池等方面的保溫隔熱阻燃防護。

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