【干货分享】电动汽车动力电池隔热材料的市场分析

一、动力电池胶隔热材料简介

电动汽车动力电池由多个单体电池模块组成，机械损伤、热冲击、内短路、在高温环境下长期快充等都可能造成单体电池“热失控”，发生传导蔓延，致使其他单体电池温度迅速升高，引发电池包燃烧甚至爆炸的重大安全事故。现有动力电池包防火材料以铺设防火毡材料为主，如云母板、超细玻璃棉、高硅氧棉毡等。虽然防火毡能够有效隔绝、延缓热量扩散，但防火毡增加重量不满足汽车轻量化发展要求。因此具备优异阻燃性的轻薄型防火涂料才是动力电池隔热的首选。

动力电池隔热材料为膨胀型隔热耐火机理，主要包括成膜物质、碳源、酸源、发泡剂、填料等，其主要成分是丙烯酸树脂、环氧树脂或氟聚合物。一旦发生“热失控”防火涂层能迅速膨胀十几倍至几十倍并吸收热量，有效阻止热量传导至保护基材。受轻量化和空间限制，动力电池间按照紧密，空间预留了量极小，导致电池包的防火涂层的膜厚为仅为3-7mm。

气凝胶隔热材料主要应用于动力电池电芯之间隔热阻燃及模组与壳体间隔热防震、电池箱外部防寒层和高温隔热层。T/CSTM00193-2020《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间，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。由于电芯间空间受限，气凝胶隔热片尺寸必须与电芯设计保持高度一致性。动力电池用气凝胶隔热片的主要性能要求如表1所示。

表1：动力电池用气凝胶隔热片的主要性能要求

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，对二者性能进行对比分析如表2所示。

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

气凝胶隔热片在锂离子动力电池模组中，低导热系数能有效阻隔电芯在大功率下充放电产生的热扩散。当电芯发生“热失控”时能隔热，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级不燃性能能有效阻断或延缓火势蔓延，可保障电池组在5分钟内不燃烧不爆炸，为驾乘人员提供逃生时间。

二、气凝胶胶隔热材料技术优势

气凝胶是新一代高效节能隔热材料，其具有纳米多孔网络结构，在孔隙中充满气态分散介质的固体材料，是世界上最轻的固体。由于独特的结构，气凝胶在热学、声学、光学、电学、力学等多个领域都展示出优异的性能，气凝胶隔热片在提高电动汽车动力电池组安全性能方面发挥重大作用。

气凝胶阻热原理是其独立的结构带来的无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效应。气凝胶的导热系数在0.012-0.024W/(m·K)，比传统材料低3个数量级，其隔热原理为：①无对流效应，气凝胶气孔为纳米级，内部空气无法自由流动；②无穷多遮挡板效应，纳米级气孔，气孔壁无穷多，辐射传热降至最低；③无穷长路径效应，热传导沿着气孔壁进行，而纳米级气孔壁无限长。

与传统保温材料相比，气凝胶隔热性能是传统材料的2-8倍，目前商用的气凝胶通常为复合材料制品，且具有多种形态。气凝胶存在强度低、韧性差等缺点，因此需要通过添加颗粒、纤维等增强体提高强度和韧性，也可以通过添加炭黑、陶瓷纤维等遮光剂提高遮挡辐射能力。因此当前在售气凝胶制品往往是由气凝胶材料与基材复合制得。根据制品形态，气凝胶制品可以分为气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布、气凝胶板材、气凝胶粉末、气凝胶浆料、气凝胶涂料等。

气凝胶的制备过程主要包括溶胶-凝胶、老化、改性、湿凝胶的干燥处理过程。溶胶-凝胶过程指前驱体溶胶聚集缩合形成凝胶的过程，如图1所示。但由于刚形成的湿凝胶三维强度不够而容易破碎坍塌，因此需要在母体溶液中老化一段时间提高强度或者利用表面改性减小或消除干燥应力。干燥过程即用空气取代湿凝胶孔隙中的溶液并排出。

干燥工艺是合成步骤的关键。湿凝胶在干燥过程中需要承受高达100Mpa-200MPa的干燥应力，该应力会使凝胶结构持续收缩和开裂，容易导致结构塌陷。目前主流干燥工艺路线有超临界干燥、常压干燥,二者技术对比如表3所示。

表3：超临界干燥和常压干燥路线对比

超临界干燥原理是当温度和压力达到或超过液体溶剂介质的超临界值时，湿凝胶孔洞中的液体直接转化为无气液相区流体，孔洞表面气液界面消失，表面张力变得很小甚至消失。当超临界流体从凝胶排出时，不会导致其网络股价的收缩及结构坍塌，从而得到具有凝胶原有结构的块状纳米多孔气凝胶材料。当前主要使用以二氧化碳为干燥介质的低温环境超临界干燥工艺，通过降低干燥时的临界温度和压力，来改善干燥条件，降低危险性。常压干燥的原理是利用低表面张力的干燥介质和相关改性剂来置换湿凝胶中的溶剂，以减小干燥时产生的毛细管作用力，避免在去除溶剂时凝胶结构发生破坏，从而实现常压干燥。常压干燥前通常需要对湿凝胶进行长时间的透析和溶剂置换处理。常压干燥设备成本与能耗成本相对较低、设备简单，但是对配方设计和流程组合优化要求高，而且在制备非二氧化硅气凝胶技术尚不成熟。

当前解决动力电池“热失控”问题有以下2种思路：①通过优化电池制造过程控制遏制热失控诱因的发生；②在电芯热失控已经发生的情况下，通过系统层面的手段将热失控遏制在模组、Pack层面或延缓蔓延时间。其中第一条思路受限于大多数电池企业的安全制造能力还达不到要求，因此绝大多数企业会选择使用隔热手段解决“热失控”问题。《电动汽车用动力蓄电池安全性要求》于2021年1月1日起正式实施，该文件将动力电池系统安全作为考核重点，并新增系统热扩散测试，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸。而要实现“5分钟安全逃逸时间”，则需要对电池包的隔热材料多做改进，延缓故障电池包的爆炸时间。

由于气凝胶目前相对于普通隔热材料价格相对较贵，因此目前气凝胶主要用于更易发生热失控的高镍三元锂电池。展望未来，为提升电池包能量密度，普通磷酸铁锂电池有望使用更薄的气凝胶隔热垫以提升电池包的成组效率，因此气凝胶在动力电池的渗透率将进一步提升。根据鑫椤锂电数据，2021年高镍三元锂电池占比约17%左右，则以气凝胶的单车价值为500元估算，预计到2025年，全球动力电池用气凝胶市场空间为35亿元。