筑起耐1200℃高温的 电芯间隔热“防火墙”

    【寻材问料】

    ◎本报记者 金 凤

    刚刚迎来新学期，南京工业大学沈晓冬教授团队就已忙得不可开交。大家扎在实验室里、盯在生产线上，专注于一种新材料的研究，希望能让其以更轻薄的“身材”和更低的成本，在耐受更高温度的同时又能隔热。

    此前，该团队首创并量产的耐1200℃高温氧化硅气凝胶材料已成功应用于锂离子动力电池芯组间的隔热，为芯组筑起一道高性能“防火墙”。

    气凝胶是一种三维网络结构的纳米材料，具有低密度、高比表面积和低热导率等优异性能。自诞生之日起，气凝胶便是“明星”材料，20世纪90年代起更享有“十大新材料之首”的美誉。

    2000年起，沈晓冬团队开始研究氧化硅气凝胶。研究团队最初采取的制备方法，是使正硅酸四乙酯放入溶液中搅拌水解成的氧化硅水合粒子在静电作用的簇拥下凝胶。但氧化硅气凝胶高温结构稳定性不强，成为了摆在沈晓冬团队面前的难题。

    为了提高氧化硅气凝胶材料的高温结构稳定性，沈晓冬提出了提高气凝胶骨架强度、用陶瓷纤维作为基材等新创意，但填充气凝胶纳米孔隙的酒精又拖了后腿。实验表明，纳米孔隙中饱含的酒精在制备过程中的分离干燥环节会产生巨大张力，而这会让气凝胶的网络结构面临崩塌的风险。

    如何有效地保护气凝胶内部薄如蝉翼的网状结构？用气体填充，成为一个大胆的设想。

    沈晓冬介绍，空气是热的不良导体，而气凝胶中的空气被网格绊住了“脚”，无法流动，因此氧化硅气凝胶的热导率更低，成了隔热“明星”。

    干燥釜内的二氧化碳在超临界状态下会同时拥有液态和气态特征，气液界面消失就没有表面张力。于是，研究团队利用这一特点，在超临界状态下“秒”抽酒精，由空气代替酒精入驻气凝胶纳米孔隙，保护凝胶的网状结构。

    “我们在动力电池每两个电芯组之间放入新研发的气凝胶材料，并通过引爆其中一块电芯，来考验在气凝胶保护下的其余四块测试电芯能否抵御高温失控的危险。”南京工业大学仲亚副教授介绍，经过多次试验，他们发现电芯被引爆后高达1200℃的火焰没有突破气凝胶所筑就的“防火墙”，祸及其他电芯。

    气凝胶材料作为一种绿色环保新型材料，可广泛应用于石油化工、电力工业、井下作业、城镇热管和建筑节能等领域，深受市场欢迎。沈晓冬介绍，市场对动力电池和储能电池安全性要求的不断提升，也让这款新型气凝胶材料蕴含着巨大的社会经济效益。