隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車(chē)發(fā)展的大力支持，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)數(shù)量快速增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快?，F(xiàn)階段，電動(dòng)汽車(chē)主要以鋰離子電池作為動(dòng)力電池，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，鋰離子動(dòng)力電池的安全性已經(jīng)得到顯著的提高，但在極端條件下，鋰電池仍然存在燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)家、地方通過(guò)發(fā)布各項(xiàng)文件規(guī)范，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)動(dòng)力電池防火要求，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
新能源汽車(chē)主要的動(dòng)力源來(lái)源于動(dòng)力電池系統(tǒng)，其決定著新能源汽車(chē)的行車(chē)性能、安全性能和壽命。尤其是純電動(dòng)汽車(chē)，所有的動(dòng)力都來(lái)源于其電池系統(tǒng)。動(dòng)力電池系統(tǒng)一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機(jī)械系統(tǒng)等構(gòu)成。動(dòng)力電池模組由幾顆到數(shù)百顆電池芯經(jīng)由并聯(lián)及串聯(lián)所組成。車(chē)輛在不同的行駛狀況和環(huán)境下，單體電芯由于其自身電阻，在輸出電能的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，使自身溫度變高。高溫工作環(huán)境和激烈碰撞是破壞鋰離子電池、引起電池燃燒、爆炸的最大的兩大元兇，而動(dòng)力電池系統(tǒng)在工作過(guò)程產(chǎn)生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi)，熱量如果不能夠及時(shí)地快速散出，電池模組的壽命和性能會(huì)受到很大影響，甚至出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致起火爆炸等，所以國(guó)內(nèi)新能源動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理較多的關(guān)注在散熱上和單體級(jí)別的熱失控機(jī)理和特征研究。對(duì)于電芯之間的高效隔熱阻燃和熱失控防護(hù)關(guān)注較少，但是當(dāng)某電池單體觸發(fā)熱失控時(shí)，產(chǎn)熱量驟增，散熱量遠(yuǎn)小于產(chǎn)熱量，熱量向周?chē)姵貍鬟f，會(huì)迅速引發(fā)周邊電池大規(guī)模熱失控，形成由單體熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個(gè)電池系統(tǒng)的熱失控級(jí)別引起的安全隱患。因此有必要在電池單體之間增加隔熱板，減緩熱失控的傳播速度，采取進(jìn)一步消防措施爭(zhēng)取時(shí)間。
近年來(lái)，針對(duì)電池組的熱失控傳播問(wèn)題主要通過(guò)在電池組內(nèi)增加隔熱層，阻斷熱失控從失控單體向周?chē)鷤鞑?，?lái)實(shí)現(xiàn)降低電池組的損害以及附帶的破壞作用。目前常用的動(dòng)力電池保溫隔熱材料有泡棉、塑料泡沫、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板、二氧化硅氣凝膠等，電池組內(nèi)隔熱板是置于單體電芯之間，能夠有效延緩或阻斷單體電芯熱失控向整個(gè)電池系統(tǒng)的傳播的一種熱防護(hù)裝備。需要具備以下性能：
- 阻燃、耐高溫。
- 導(dǎo)熱系數(shù)低。
- 不產(chǎn)生有毒氣體
- 防水防潮防震
- 質(zhì)輕價(jià)低厚度薄。
泡棉是塑料粒子發(fā)泡過(guò)的材料，具有有彈性、重量輕、隔熱等特點(diǎn)。泡棉有多種種類(lèi)，比如PU、PE、CR、EVE泡棉等?？蓱?yīng)用于動(dòng)力電池電芯間隔熱的泡棉主要有PU、XPE、IXPE泡棉。PU泡棉在上時(shí)間壓力下仍具有非常好的回彈性，適用于軟包電池的電芯隔熱防震材料，但是PU泡棉燃燒時(shí)會(huì)釋放有毒氣體，不適用于純電動(dòng)或插式混合電動(dòng)等新能源汽車(chē)。XPE泡棉經(jīng)過(guò)添加化學(xué)交聯(lián)劑產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)后發(fā)泡而成的泡棉，主要特點(diǎn)是性能好，泡孔大，產(chǎn)品一般以3MM以上的厚度為主。IXPE泡棉是經(jīng)過(guò)輻照交聯(lián)后發(fā)泡而成的泡棉產(chǎn)品，主要特點(diǎn)是泡孔細(xì)膩，表觀美觀，性能優(yōu)異，而且環(huán)保性能非常不錯(cuò)，能達(dá)到歐盟的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種非常適合的動(dòng)力電池隔熱材料。
但是該方法由于輻照設(shè)備昂貴、射線(xiàn)穿透力差，不適用于制備厚度較大的發(fā)泡體。其次，基于PE材料本身的特性，其在120℃作用就會(huì)發(fā)生軟化或較大形變，當(dāng)電芯發(fā)生著火危險(xiǎn)后，也不能起到很好的阻燃作用。通用汽車(chē)公司 Volt的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的隔熱方式就是采用了在電芯與電芯之間放置泡棉的方式，但是對(duì)通過(guò)對(duì)VOLT模組結(jié)構(gòu)的拆解分析，所應(yīng)用的泡棉并沒(méi)有出現(xiàn)離火自熄現(xiàn)象，也意味著不是國(guó)標(biāo)所要求的V0。
二氧化硅氣凝膠是一種分散介質(zhì)為氣體的多孔性固體材料，是目前工程應(yīng)用的最輕的固體材料。由其制成的氣凝膠氈導(dǎo)熱系數(shù)為0.020W/(m·K)，甚至更低，且具有超疏水、A1級(jí)阻燃、使用溫度范圍廣（-200~650℃）、壽命長(zhǎng)、抗壓、無(wú)毒。 與傳統(tǒng)保溫隔熱材料相比，同等隔熱效果下，氣凝膠材料厚度只有傳統(tǒng)保溫隔熱材料的1/2-1/5。基于氣凝膠上述特點(diǎn)和動(dòng)力電池隔熱板的需求，氣凝膠片被認(rèn)為是目前可應(yīng)用于新能源汽車(chē)及動(dòng)力電池最薄最高效的保溫隔熱材料。
動(dòng)力電池模組用氣凝膠隔熱片和IXPE隔熱泡棉性能對(duì)比：
| 氣凝膠材料 | IXPE泡棉 | |
| 密度 (Kg/m3) | 200 | 200（5倍發(fā)泡） |
| 導(dǎo)熱系數(shù) (W/mk) | 0.017 | 0.095 |
| 使用溫度 (℃) | -200~600℃ | -60~120℃ |
| 阻燃性能 | 建筑A1級(jí)/UL94V0 | UL94HB |
| 吸水率 室溫24h (%) | ＜1% | <0.2 |
| 環(huán)保無(wú)毒性 | ROHS標(biāo)準(zhǔn) | ROHS標(biāo)準(zhǔn) |
| 高溫形變120℃，24h (%) | 無(wú) | 收縮10% |
| 拉伸強(qiáng)度 (MPa) | 0.4 | 橫向>1.3、縱向>1.5 |
| 斷裂伸長(zhǎng)率 (%) | 8.53 | 200 |
| 常規(guī)厚度（mm） | 0.5/1/2/3/6/10 | 0.5/1/3/10 |
氣凝膠隔熱板應(yīng)用在鋰離子動(dòng)力電池模組中時(shí)，低的導(dǎo)熱系數(shù)可以有效阻隔電芯在大倍率下充放電急劇產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散；當(dāng)電芯發(fā)生熱失控時(shí)可以起到隔熱作用，延緩或阻斷事故發(fā)生；當(dāng)電芯過(guò)熱發(fā)生燃燒時(shí)，氣凝膠隔熱板達(dá)到建筑A級(jí)不燃的性能也能夠有效阻斷或延緩火勢(shì)蔓延，為逃生提供足夠的時(shí)間。因此，氣凝膠片隔熱板在提高新能源汽車(chē)動(dòng)力電池組安全性能方面能夠發(fā)揮非常重大的作用。
Tesla 公司在其汽車(chē)鋰離子電池組的專(zhuān)利中設(shè)計(jì)了一種由隔熱材料和彈性材料復(fù)合制成的隔離板，放置于電池模塊不同列單體之間，以此來(lái)阻斷相鄰單體間的熱失控傳播。在《車(chē)用動(dòng)力電池?zé)岱雷o(hù)與散熱集成研究》中，采用導(dǎo)熱系數(shù)約為0.020 W/（m·K）的隔熱板，以方形三元鋰離子電池為對(duì)象建立電池組仿真模型，提出了在電池組內(nèi)交替安置隔熱板與熱管的集成熱管理方案，不僅可以提高電池組散熱能力，改善電池組內(nèi)部溫度分布均勻性，同時(shí)能夠大幅度延長(zhǎng)熱失控傳播時(shí)間，提高電池組運(yùn)行安全性能。其次，將隔熱板厚度由1mm增加到2mm，還可以完全阻斷熱失控的傳播。
氣凝膠片隔熱板的市場(chǎng)前景
電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由培育期進(jìn)入成長(zhǎng)期，根據(jù)工信部編制《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》和中銀證券測(cè)算，預(yù)計(jì) 2020 年整體產(chǎn)銷(xiāo) 200萬(wàn)輛；《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》還明確了到 2025 年，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量占總銷(xiāo)量的比例達(dá)到 20%以上。
如果 2025年全國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到 3,500萬(wàn)輛，那么新能源汽車(chē)相當(dāng)于 700萬(wàn)輛的銷(xiāo)量預(yù)期。隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，人們對(duì)新能源汽車(chē)的安全性能越來(lái)越重視。氣凝膠隔熱片雖然價(jià)格高于傳統(tǒng)泡棉隔熱材料，但是安全性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)隔熱材料，是公認(rèn)的最佳的動(dòng)力電池隔熱阻燃材料，因此，在對(duì)安全性能要求較高的電動(dòng)客車(chē)和高檔新能源轎車(chē)中，氣凝膠隔熱片無(wú)疑是最佳的選擇。
隨著氣凝膠材料工藝的成熟和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其價(jià)格必然會(huì)下降，在新能源汽車(chē)動(dòng)力電池中的應(yīng)用和市場(chǎng)滲透率也必將隨著新能源汽車(chē)的行業(yè)增長(zhǎng)而激增。
氣凝膠材料在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，除應(yīng)用于動(dòng)力電池電芯之間的隔熱阻燃外，還可應(yīng)用于模組于殼體之間的隔熱防震、電池箱的外部防寒層和高溫隔熱層。
