气凝胶(Aerogel)具有低折射率、低声阻抗等物理特性,在石化、航空航天、微电子等诸多领域均具有广阔的应用前景。

2021年10月24日,中共中央国务院发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,其中第二十一条提出“推动气凝胶等新型材料研发应用”的明确意见。国家对于新兴材料的推广和应用实行的引导政策将推动气凝胶的市场规模迅速扩张。

新能源汽车方面,气凝胶可同时用于整车结构和汽车电池,能够有效解决低温环境下磷酸铁锂电池的保温问题以及高温环境下三元电池热失控扩散问题,是锂电隔热的首选材料。我国气凝胶市场起步相对较晚,但制备工艺进展迅速,目前已有多家非上市公司实现规模化生产。

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。

气凝胶电池隔热片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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