【干貨分享】電動汽車動力電池隔熱材料的市場分析

一、動力電池膠隔熱材料簡介

電動汽車動力電池由多個單體電池模塊組成，機(jī)械損傷、熱沖擊、內(nèi)短路、在高溫環(huán)境下長期快充等都可能造成單體電池“熱失控”，發(fā)生傳導(dǎo)蔓延，致使其他單體電池溫度迅速升高，引發(fā)電池包燃燒甚至爆炸的重大安全事故。現(xiàn)有動力電池包防火材料以鋪設(shè)防火氈材料為主，如云母板、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉氈等。雖然防火氈能夠有效隔絕、延緩熱量擴(kuò)散，但防火氈增加重量不滿足汽車輕量化發(fā)展要求。因此具備優(yōu)異阻燃性的輕薄型防火涂料才是動力電池隔熱的首選。

動力電池隔熱材料為膨脹型隔熱耐火機(jī)理，主要包括成膜物質(zhì)、碳源、酸源、發(fā)泡劑、填料等，其主要成分是丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂或氟聚合物。一旦發(fā)生“熱失控”防火涂層能迅速膨脹十幾倍至幾十倍并吸收熱量，有效阻止熱量傳導(dǎo)至保護(hù)基材。受輕量化和空間限制，動力電池間按照緊密，空間預(yù)留了量極小，導(dǎo)致電池包的防火涂層的膜厚為僅為3-7mm。

氣凝膠隔熱材料主要應(yīng)用于動力電池電芯之間隔熱阻燃及模組與殼體間隔熱防震、電池箱外部防寒層和高溫隔熱層。T/CSTM00193-2020《鋰離子動力電池用氣凝膠隔熱片》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中指出，氣凝膠隔熱片用于鋰離子動力電池兩電芯間，種類包括玻璃纖維復(fù)合氣凝膠（FG），預(yù)氧化絲復(fù)合氣凝膠（YS）及其他纖維復(fù)合氣凝膠。由于電芯間空間受限，氣凝膠隔熱片尺寸必須與電芯設(shè)計(jì)保持高度一致性。動力電池用氣凝膠隔熱片的主要性能要求如表1所示。

表1：動力電池用氣凝膠隔熱片的主要性能要求

以某款氣凝膠隔熱片和IXPE隔熱泡棉（輻照交聯(lián)聚乙烯泡棉）為例，對二者性能進(jìn)行對比分析如表2所示。

表2：動力電池模組用氣凝膠隔熱片和IXPE隔熱泡棉性能對比

氣凝膠隔熱片在鋰離子動力電池模組中，低導(dǎo)熱系數(shù)能有效阻隔電芯在大功率下充放電產(chǎn)生的熱擴(kuò)散。當(dāng)電芯發(fā)生“熱失控”時能隔熱，延緩或阻斷事故發(fā)生。當(dāng)電芯過熱發(fā)生燃燒時，氣凝膠隔熱片達(dá)到建筑A1級不燃性能能有效阻斷或延緩火勢蔓延，可保障電池組在5分鐘內(nèi)不燃燒不爆炸，為駕乘人員提供逃生時間。

二、氣凝膠膠隔熱材料技術(shù)優(yōu)勢

氣凝膠是新一代高效節(jié)能隔熱材料，其具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的固體材料，是世界上最輕的固體。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，氣凝膠在熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等多個領(lǐng)域都展示出優(yōu)異的性能，氣凝膠隔熱片在提高電動汽車動力電池組安全性能方面發(fā)揮重大作用。

氣凝膠阻熱原理是其獨(dú)立的結(jié)構(gòu)帶來的無對流效應(yīng)、無窮多遮擋板效應(yīng)、無窮長路徑效應(yīng)。氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)在0.012-0.024W/(m·K)，比傳統(tǒng)材料低3個數(shù)量級，其隔熱原理為：①無對流效應(yīng)，氣凝膠氣孔為納米級，內(nèi)部空氣無法自由流動；②無窮多遮擋板效應(yīng)，納米級氣孔，氣孔壁無窮多，輻射傳熱降至最低；③無窮長路徑效應(yīng)，熱傳導(dǎo)沿著氣孔壁進(jìn)行，而納米級氣孔壁無限長。

與傳統(tǒng)保溫材料相比，氣凝膠隔熱性能是傳統(tǒng)材料的2-8倍，目前商用的氣凝膠通常為復(fù)合材料制品，且具有多種形態(tài)。氣凝膠存在強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn)，因此需要通過添加顆粒、纖維等增強(qiáng)體提高強(qiáng)度和韌性，也可以通過添加炭黑、陶瓷纖維等遮光劑提高遮擋輻射能力。因此當(dāng)前在售氣凝膠制品往往是由氣凝膠材料與基材復(fù)合制得。根據(jù)制品形態(tài)，氣凝膠制品可以分為氣凝膠氈、氣凝膠紙、氣凝膠布、氣凝膠板材、氣凝膠粉末、氣凝膠漿料、氣凝膠涂料等。

氣凝膠的制備過程主要包括溶膠-凝膠、老化、改性、濕凝膠的干燥處理過程。溶膠-凝膠過程指前驅(qū)體溶膠聚集縮合形成凝膠的過程，如圖1所示。但由于剛形成的濕凝膠三維強(qiáng)度不夠而容易破碎坍塌，因此需要在母體溶液中老化一段時間提高強(qiáng)度或者利用表面改性減小或消除干燥應(yīng)力。干燥過程即用空氣取代濕凝膠孔隙中的溶液并排出。

干燥工藝是合成步驟的關(guān)鍵。濕凝膠在干燥過程中需要承受高達(dá)100Mpa-200MPa的干燥應(yīng)力，該應(yīng)力會使凝膠結(jié)構(gòu)持續(xù)收縮和開裂，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塌陷。目前主流干燥工藝路線有超臨界干燥、常壓干燥,二者技術(shù)對比如表3所示。

表3：超臨界干燥和常壓干燥路線對比

超臨界干燥原理是當(dāng)溫度和壓力達(dá)到或超過液體溶劑介質(zhì)的超臨界值時，濕凝膠孔洞中的液體直接轉(zhuǎn)化為無氣液相區(qū)流體，孔洞表面氣液界面消失，表面張力變得很小甚至消失。當(dāng)超臨界流體從凝膠排出時，不會導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)股價的收縮及結(jié)構(gòu)坍塌，從而得到具有凝膠原有結(jié)構(gòu)的塊狀納米多孔氣凝膠材料。當(dāng)前主要使用以二氧化碳為干燥介質(zhì)的低溫環(huán)境超臨界干燥工藝，通過降低干燥時的臨界溫度和壓力，來改善干燥條件，降低危險(xiǎn)性。常壓干燥的原理是利用低表面張力的干燥介質(zhì)和相關(guān)改性劑來置換濕凝膠中的溶劑，以減小干燥時產(chǎn)生的毛細(xì)管作用力，避免在去除溶劑時凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而實(shí)現(xiàn)常壓干燥。常壓干燥前通常需要對濕凝膠進(jìn)行長時間的透析和溶劑置換處理。常壓干燥設(shè)備成本與能耗成本相對較低、設(shè)備簡單，但是對配方設(shè)計(jì)和流程組合優(yōu)化要求高，而且在制備非二氧化硅氣凝膠技術(shù)尚不成熟。

當(dāng)前解決動力電池“熱失控”問題有以下2種思路：①通過優(yōu)化電池制造過程控制遏制熱失控誘因的發(fā)生；②在電芯熱失控已經(jīng)發(fā)生的情況下，通過系統(tǒng)層面的手段將熱失控遏制在模組、Pack層面或延緩蔓延時間。其中第一條思路受限于大多數(shù)電池企業(yè)的安全制造能力還達(dá)不到要求，因此絕大多數(shù)企業(yè)會選擇使用隔熱手段解決“熱失控”問題。《電動汽車用動力蓄電池安全性要求》于2021年1月1日起正式實(shí)施，該文件將動力電池系統(tǒng)安全作為考核重點(diǎn)，并新增系統(tǒng)熱擴(kuò)散測試，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸。而要實(shí)現(xiàn)“5分鐘安全逃逸時間”，則需要對電池包的隔熱材料多做改進(jìn)，延緩故障電池包的爆炸時間。

由于氣凝膠目前相對于普通隔熱材料價格相對較貴，因此目前氣凝膠主要用于更易發(fā)生熱失控的高鎳三元鋰電池。展望未來，為提升電池包能量密度，普通磷酸鐵鋰電池有望使用更薄的氣凝膠隔熱墊以提升電池包的成組效率，因此氣凝膠在動力電池的滲透率將進(jìn)一步提升。根據(jù)鑫欏鋰電數(shù)據(jù)，2021年高鎳三元鋰電池占比約17%左右，則以氣凝膠的單車價值為500元估算，預(yù)計(jì)到2025年，全球動力電池用氣凝膠市場空間為35億元。