气凝胶隔热材料在新能源汽车动力电池中的应用

新能源汽车着火点
新能源汽车着火点

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,而极端条件下电池热失控是电动汽车的首要安全性问题,常见的较为严重的是电池过充导致温度过高,致使电动汽车着火,爆炸。对于新能源汽车电池单元局部失控问题,气凝胶隔热材料是解决动力电池热失控的有效措施,可以提高新能源汽车的使用安全性。

 

新能源汽车电池热失控反应
新能源汽车电池热失控反应

 

 

气凝胶导热系数低、保温效果好、不燃,相比传统保温材料,只需1/5-1/3的厚度即可达到相同的保温效果,为动力电池节省更多空间,并且保温效果及温度更稳定。应用在新能源汽车中可以更好地实现电池的温控和电控管理及提升性能,起到绝热、防火的作用,为用户和乘客逃离现场以及灭火争取更多的时间。

气凝胶隔热材料在新能源汽车领域应用

气凝胶隔热材料在新能源汽车领域主要应用于动力电池电芯之间的隔热阻燃以及模组与壳体之间的隔热防震、电池箱的外部防寒层和高温隔热层。下面我们以动力电池用气凝胶隔热片为例,对其主要性能指标进行分析。

T/CSTM 00193-2020《锂离子动力电池用气凝胶隔热片》团体标准中指出,气凝胶隔热片用于锂离子动力电池两电芯之间,主要芯材种类包括玻璃纤维复合气凝胶(FG),预氧化丝复合气凝胶(YS)及其他纤维复合气凝胶。由于电芯之间空间有限,气凝胶隔热片的尺寸必须与设计值有较高的一致性。动力电池用气凝胶隔热片的主要性能要求如下表所示:

表1 动力电池用气凝胶隔热片的主要性能要求

序号 性能指标 性能要求
1 质量偏差率 应不大于15%。
2 隔热性能 试验前后样品长宽尺寸收缩率应不大于3%,试验过程5分钟之内样品冷面温度应不超过180°C。
3 垂直燃烧 应符合GB/T 2408中规定的V0级要求。
4 压缩率 在2Mpa压力下应不小于35%。
5 抗拉强度 长度、宽度方向均应不小于500Kpa。
6 绝缘性能 表面热阻率应大于500MΩ;漏电率应小于1mA。
7 禁限用物质 应符合2011/65/EU指令要求。
8 耐老化性能 老化后,气凝胶隔热片抗拉强度衰减率应不大于30%;长和宽尺寸变化率应小于1%;隔热性能应符合表中要求。

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、真空绝热板、二氧化硅气凝胶等。气凝胶隔热片与传统的动力电池隔热片相比,具有阻燃、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、厚度薄等特点。

 

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

下面我们以某款气凝胶隔热片和IXPE隔热泡棉(辐照交联聚乙烯泡棉)为例,对其性能进行对比分析。

表2 动力电池模组用气凝胶隔热片和IXPE隔热泡棉性能对比

气凝胶隔热片 IXPE隔热泡棉
密度 (Kg/m3) 200 200(5倍发泡)
导热系数 (W/m·k) 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

气凝胶隔热片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,气凝胶隔热片达到建筑A1级不燃的性能也能够有效阻断或延缓火势蔓延,可以保障电池组在5分钟内不燃烧,不爆炸,为逃生提供足够的时间。因此,气凝胶隔热片在提高新能源汽车动力电池组安全性能方面能够发挥重大作用。

气凝胶隔热材料在新能源汽车的市场前景

国务院办公厅2020年10月20日印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》指出,发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。到2025年,新能源汽车新车销量占比将达到25%左右,动力电池、驱动电机、车用操作系统等关键技术取得重大突破,安全水平全面提升。

气凝胶虽然价格较高,但其安全性能远远高于其他传统隔热材料,是公认的最佳的动力电池隔热阻燃材料。随着人们对新能源汽车安全性能的逐渐重视,在对安全性能要求较高的电动客车和高档新能源轿车中应用气凝胶隔热材料无疑是最佳的选择。如果2025年全国汽车销量达到3500万辆,那么新能源汽车相当于800多万辆的销量预期,气凝胶应用前景广阔。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。

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