气凝胶隔热片携手新能源汽车,为安全保驾护航

气凝胶隔热片携手新能源汽车,为安全保驾护航

随着国家对新能源汽车发展的大力支持,电动汽车产销数量快速增长,产业化步伐不断加快。现阶段,电动汽车主要以锂离子电池作为动力电池,经过多年的发展,锂离子动力电池的安全性已经得到显著的提高,但在极端条件下,锂电池仍然存在燃烧、爆炸的风险。国家、地方通过发布各项文件规范,旨在进一步加强动力电池防火要求,保障人民生命财产安全。

新能源汽车主要的动力源来源于动力电池系统,其决定着新能源汽车的行车性能、安全性能和寿命。尤其是纯电动汽车,所有的动力都来源于其电池系统。动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。动力电池模组由几颗到数百颗电池芯经由并联及串联所组成。车辆在不同的行驶状况和环境下,单体电芯由于其自身电阻,在输出电能的同时会产生一定的热量,使自身温度变高。高温工作环境和激烈碰撞是破坏锂离子电池、引起电池燃烧、爆炸的最大的两大元凶,而动力电池系统在工作过程产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内,热量如果不能够及时地快速散出,电池模组的寿命和性能会受到很大影响,甚至出现热失控,导致起火爆炸等,所以国内新能源动力电池系统热管理较多的关注在散热上和单体级别的热失控机理和特征研究。对于电芯之间的高效隔热阻燃和热失控防护关注较少,但是当某电池单体触发热失控时,产热量骤增,散热量远小于产热量,热量向周围电池传递,会迅速引发周边电池大规模热失控,形成由单体热失控触发继而传播到整个电池系统的热失控级别引起的安全隐患。因此有必要在电池单体之间增加隔热板,减缓热失控的传播速度,采取进一步消防措施争取时间。

气凝胶隔热片携手新能源汽车,为安全保驾护航

近年来,针对电池组的热失控传播问题主要通过在电池组内增加隔热层,阻断热失控从失控单体向周围传播,来实现降低电池组的损害以及附带的破坏作用。目前常用的动力电池保温隔热材料有泡棉、塑料泡沫、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板、二氧化硅气凝胶等,电池组内隔热板是置于单体电芯之间,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装备。需要具备以下性能:

  • 阻燃、耐高温。
  • 导热系数低。
  • 不产生有毒气体
  • 防水防潮防震
  • 质轻价低厚度薄。

泡棉是塑料粒子发泡过的材料,具有有弹性、重量轻、隔热等特点。泡棉有多种种类,比如PU、PE、CR、EVE泡棉等。可应用于动力电池电芯间隔热的泡棉主要有PU、XPE、IXPE泡棉。PU泡棉在上时间压力下仍具有非常好的回弹性,适用于软包电池的电芯隔热防震材料,但是PU泡棉燃烧时会释放有毒气体,不适用于纯电动或插式混合电动等新能源汽车。XPE泡棉经过添加化学交联剂产生化学交联后发泡而成的泡棉,主要特点是性能好,泡孔大,产品一般以3MM以上的厚度为主。IXPE泡棉是经过辐照交联后发泡而成的泡棉产品,主要特点是泡孔细腻,表观美观,性能优异,而且环保性能非常不错,能达到欧盟的检测标准,是一种非常适合的动力电池隔热材料。

但是该方法由于辐照设备昂贵、射线穿透力差,不适用于制备厚度较大的发泡体。其次,基于PE材料本身的特性,其在120℃作用就会发生软化或较大形变,当电芯发生着火危险后,也不能起到很好的阻燃作用。通用汽车公司 Volt的电池热管理系统的隔热方式就是采用了在电芯与电芯之间放置泡棉的方式,但是对通过对VOLT模组结构的拆解分析,所应用的泡棉并没有出现离火自熄现象,也意味着不是国标所要求的V0。

二氧化硅气凝胶是一种分散介质为气体的多孔性固体材料,是目前工程应用的最轻的固体材料。由其制成的气凝胶毡导热系数为0.020W/(m·K),甚至更低,且具有超疏水、A1级阻燃、使用温度范围广(-200~650℃)、寿命长、抗压、无毒。 与传统保温隔热材料相比,同等隔热效果下,气凝胶材料厚度只有传统保温隔热材料的1/2-1/5。基于气凝胶上述特点和动力电池隔热板的需求,气凝胶片被认为是目前可应用于新能源汽车及动力电池最薄最高效的保温隔热材料。

左:动力电池隔热用气凝胶片、右:动力电池专用隔热泡棉
左:动力电池隔热用气凝胶片、右:动力电池专用隔热泡棉

 

动力电池模组用气凝胶隔热片和IXPE隔热泡棉性能对比:

气凝胶材料 IXPE泡棉
密度 (Kg/m3) 200 200(5倍发泡)
导热系数 (W/mk) 0.017 0.095
使用温度 (℃) -200~600℃ -60~120℃
阻燃性能 建筑A1级/UL94V0 UL94HB
吸水率 室温24h (%) <1% <0.2
环保无毒性 ROHS标准 ROHS标准
高温形变120℃,24h (%) 收缩10%
拉伸强度 (MPa) 0.4 横向>1.3、纵向>1.5
断裂伸长率 (%) 8.53 200
常规厚度(mm) 0.5/1/2/3/6/10 0.5/1/3/10

 

气凝胶隔热板应用在锂离子动力电池模组中时,低的导热系数可以有效阻隔电芯在大倍率下充放电急剧产生的热量扩散;当电芯发生热失控时可以起到隔热作用,延缓或阻断事故发生;当电芯过热发生燃烧时,气凝胶隔热板达到建筑A级不燃的性能也能够有效阻断或延缓火势蔓延,为逃生提供足够的时间。因此,气凝胶片隔热板在提高新能源汽车动力电池组安全性能方面能够发挥非常重大的作用。

Tesla 公司在其汽车锂离子电池组的专利中设计了一种由隔热材料和弹性材料复合制成的隔离板,放置于电池模块不同列单体之间,以此来阻断相邻单体间的热失控传播。在《车用动力电池热防护与散热集成研究》中,采用导热系数约为0.020 W/(m·K)的隔热板,以方形三元锂离子电池为对象建立电池组仿真模型,提出了在电池组内交替安置隔热板与热管的集成热管理方案,不仅可以提高电池组散热能力,改善电池组内部温度分布均匀性,同时能够大幅度延长热失控传播时间,提高电池组运行安全性能。其次,将隔热板厚度由1mm增加到2mm,还可以完全阻断热失控的传播。

气凝胶片隔热板的市场前景

电动汽车产业已经由培育期进入成长期,根据工信部编制《汽车产业中长期发展规划》和中银证券测算,预计 2020 年整体产销 200万辆;《汽车产业中长期发展规划》还明确了到 2025 年,新能源汽车销量占总销量的比例达到 20%以上。

如果 2025年全国汽车销量达到 3,500万辆,那么新能源汽车相当于 700万辆的销量预期。随着新能源汽车的发展,人们对新能源汽车的安全性能越来越重视。气凝胶隔热片虽然价格高于传统泡棉隔热材料,但是安全性能远远高于传统隔热材料,是公认的最佳的动力电池隔热阻燃材料,因此,在对安全性能要求较高的电动客车和高档新能源轿车中,气凝胶隔热片无疑是最佳的选择。

随着气凝胶材料工艺的成熟和生产规模的扩大,其价格必然会下降,在新能源汽车动力电池中的应用和市场渗透率也必将随着新能源汽车的行业增长而激增。

气凝胶材料在新能源汽车领域,除应用于动力电池电芯之间的隔热阻燃外,还可应用于模组于壳体之间的隔热防震、电池箱的外部防寒层和高温隔热层。

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