南工大为电池穿上安全“隔热服”

本文转自：新华日报

□ 本报记者 谢诗涵 通讯员 杨芳

新能源汽车离不开新能源动力电池，然而动力电池一旦发生热失控，从冒烟到爆炸仅需56秒。如何迅速阻断某一个电芯热失控时的热传递？近日，江苏先进无机功能复合材料协同创新中心主任、南京工业大学材料科学与工程学院沈晓冬教授团队，在国际上首创并量产耐1200℃高温氧化硅气凝胶材料成功应用于锂离子动力电池芯组间的隔热，为芯组筑构了一道高性能“防火墙”，切实为人民生命安全穿上了“防护服”。

气凝胶是一种三维纳米网络结构的纳米材料，具有低密度、高比表面积和低热导率等优异性能。“气凝胶纳米级网状骨构孔洞中超99%的空隙由空气填充。”沈晓冬介绍，空气是热的不良导体，而气凝胶中的空气被网格绊住了“脚”无法流动，因此导热力较空气更低，成了隔热“明星”。尽管如今解释起来通俗易懂，但在研发初期，想要用空气完全替代原本网状骨构孔洞缝隙中的酒精，其探索之路却颇为曲折。

2005年前，“专情”于水泥研究的沈晓冬，被气凝胶隔热的光环所吸引，承担国家任务开始研究同属硅酸盐材料的氧化硅气凝胶。研究团队最初采取的是将正硅酸四乙酯放入溶液中搅拌水解成的氧化硅水合粒子，使其在静电作用下簇拥深入基材缝隙。“由于气凝胶单体太过脆弱，无法独当一面，必须借助基材的结构强度。”团队成员孔勇副教授说。如何提高氧化硅气凝胶材料高温结构稳定性？沈晓冬提出用陶瓷作基材的新创意。

“理想的网孔正在朝着期待的样子逐渐形成，但是此时‘坐拥’纳米空隙的是酒精而非空气。”实验表明，纳米孔隙中饱含的液体在分离时会产生巨大张力，而这会让网状结构面临崩塌的风险。“就好像湿了的衣服晾干容易起褶皱、变形。”沈晓冬形象地介绍，潮湿衣服表面的水分自带张力，衣服脱水（干燥）后表面的张力随水分消失而消失。“唯有用气体代替液体，才能改变张力消失所导致的变形，从而有效地保护气凝胶内部薄如蝉翼的网状结构。”

于是，研究团队利用“超临界状态的二氧化碳呈气体时可抵消张力”这一特点，让超临界状态下的二氧化碳“秒”抽酒精，成功让空气代替酒精“入驻”孔隙，从而保护气凝胶的网状结构。“我们在动力电池每两个电芯组之间放入研发的气凝胶材料，并通过引爆其中一块电芯，来考验在气凝胶保护下的其余4块测试电芯，能否抵御高温失控的危险。”团队成员仲亚副教授介绍，经过多次试验，他们发现电芯被引爆后高达1200℃的火焰没有突破气凝胶所筑就的“防火墙”，“祸及”其他电芯。

今年5月，沈教授团队研发的耐1200℃新型气凝胶产品“横空出世”，并在江苏珈云新材料有限公司完成A轮融资，实现了高性能氧化硅气凝胶系列产品量产。江苏珈云新材料有限公司副总经理滕凯明表示，团队的研究成果为行业企业带来了“福音”，公司在锂离子动力电池、储能电池电芯间隔热防护、高温设备、热力管道保温等领域应用了新型气凝胶技术后，取得了良好的社会效益和经济效益。

据悉，气凝胶作为绿色环保新型材料可广泛应用于石油化工、轨道交通、电力工业、井下作业、城镇热管和建筑节能等广阔领域，实属颠覆性材料，深受市场欢迎。随着基础研究的不断深入，气凝胶已从最初的氧化硅气凝胶发展成为涵盖众多无机、高分子、金属气凝胶家族。

多年来，沈晓冬带领团队勤耕不辍，推动建立中国气凝胶材料产业体系，助力我国气凝胶新材料处于国际并跑领跑地位。“我国应用于电池电芯隔热的气凝胶绝热产品年销售额已逾10亿元，随着动力电池和储能电池对安全性要求不断提升，气凝胶材料未来必将大有可为。”沈晓冬说。