新能源汽車著火點
新能源汽車著火點

隨著國家對新能源汽車發展的大力支持,電動汽車產銷數量快速增長,產業化步伐不斷加快?,F階段,電動汽車主要以鋰離子電池作為動力電池,而極端條件下電池熱失控是電動汽車的首要安全性問題,常見的較為嚴重的是電池過充導致溫度過高,致使電動汽車著火,爆炸。對于新能源汽車電池單元局部失控問題,氣凝膠隔熱材料是解決動力電池熱失控的有效措施,可以提高新能源汽車的使用安全性。

 

新能源汽車電池熱失控反應
新能源汽車電池熱失控反應

 

 

氣凝膠導熱系數低、保溫效果好、不燃,相比傳統保溫材料,只需1/5-1/3的厚度即可達到相同的保溫效果,為動力電池節省更多空間,并且保溫效果及溫度更穩定。應用在新能源汽車中可以更好地實現電池的溫控和電控管理及提升性能,起到絕熱、防火的作用,為用戶和乘客逃離現場以及滅火爭取更多的時間。

氣凝膠隔熱材料在新能源汽車領域應用

氣凝膠隔熱材料在新能源汽車領域主要應用于動力電池電芯之間的隔熱阻燃以及模組與殼體之間的隔熱防震、電池箱的外部防寒層和高溫隔熱層。下面我們以動力電池用氣凝膠隔熱片為例,對其主要性能指標進行分析。

T/CSTM 00193-2020《鋰離子動力電池用氣凝膠隔熱片》團體標準中指出,氣凝膠隔熱片用于鋰離子動力電池兩電芯之間,主要芯材種類包括玻璃纖維復合氣凝膠(FG),預氧化絲復合氣凝膠(YS)及其他纖維復合氣凝膠。由于電芯之間空間有限,氣凝膠隔熱片的尺寸必須與設計值有較高的一致性。動力電池用氣凝膠隔熱片的主要性能要求如下表所示:

表1 動力電池用氣凝膠隔熱片的主要性能要求

序號 性能指標 性能要求
1 質量偏差率 應不大于15%。
2 隔熱性能 試驗前后樣品長寬尺寸收縮率應不大于3%,試驗過程5分鐘之內樣品冷面溫度應不超過180°C。
3 垂直燃燒 應符合GB/T 2408中規定的V0級要求。
4 壓縮率 在2Mpa壓力下應不小于35%。
5 抗拉強度 長度、寬度方向均應不小于500Kpa。
6 絕緣性能 表面熱阻率應大于500MΩ;漏電率應小于1mA。
7 禁限用物質 應符合2011/65/EU指令要求。
8 耐老化性能 老化后,氣凝膠隔熱片抗拉強度衰減率應不大于30%;長和寬尺寸變化率應小于1%;隔熱性能應符合表中要求。

目前常用的動力電池保溫隔熱材料有泡棉、塑料泡沫、超細玻璃棉、高硅氧棉、真空絕熱板、二氧化硅氣凝膠等。氣凝膠隔熱片與傳統的動力電池隔熱片相比,具有阻燃、耐高溫、導熱系數低、不產生有毒氣體、防水防潮防震、質輕、價低、厚度薄等特點。

 

左:動力電池隔熱用氣凝膠片 右:動力電池專用隔熱泡棉
左:動力電池隔熱用氣凝膠片 右:動力電池專用隔熱泡棉

下面我們以某款氣凝膠隔熱片和IXPE隔熱泡棉(輻照交聯聚乙烯泡棉)為例,對其性能進行對比分析。

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 IXPE隔熱泡棉
密度 (Kg/m3) 200 200(5倍發泡)
導熱系數 (W/m·k) 0.017 0.095
使用溫度 (℃) -200~600℃ -60~120℃
阻燃性能 建筑A1級/UL94V0 UL94HB
吸水率 室溫24h (%) <1% <0.2
環保無毒性 ROHS標準 ROHS標準
高溫形變120℃,24h ?(%) 收縮10%
拉伸強度 (MPa) 0.4 橫向>1.3、縱向>1.5
斷裂伸長率 (%) 8.53 200
常規厚度(mm) 0.5/1/2/3/6/10 0.5/1/3/10

氣凝膠隔熱片應用在鋰離子動力電池模組中時,低的導熱系數可以有效阻隔電芯在大倍率下充放電急劇產生的熱量擴散;當電芯發生熱失控時可以起到隔熱作用,延緩或阻斷事故發生;當電芯過熱發生燃燒時,氣凝膠隔熱片達到建筑A1級不燃的性能也能夠有效阻斷或延緩火勢蔓延,可以保障電池組在5分鐘內不燃燒,不爆炸,為逃生提供足夠的時間。因此,氣凝膠隔熱片在提高新能源汽車動力電池組安全性能方面能夠發揮重大作用。

氣凝膠隔熱材料在新能源汽車的市場前景

國務院辦公廳2020年10月20日印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035)》指出,發展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路,是應對氣候變化、推動綠色發展的戰略舉措。到2025年,新能源汽車新車銷量占比將達到25%左右,動力電池、驅動電機、車用操作系統等關鍵技術取得重大突破,安全水平全面提升。

氣凝膠雖然價格較高,但其安全性能遠遠高于其他傳統隔熱材料,是公認的最佳的動力電池隔熱阻燃材料。隨著人們對新能源汽車安全性能的逐漸重視,在對安全性能要求較高的電動客車和高檔新能源轎車中應用氣凝膠隔熱材料無疑是最佳的選擇。如果2025年全國汽車銷量達到3500萬輛,那么新能源汽車相當于800多萬輛的銷量預期,氣凝膠應用前景廣闊。隨著氣凝膠材料工藝的成熟和生產規模的擴大,其價格必然會下降,在新能源汽車動力電池中的應用和市場滲透率也必將隨著新能源汽車的行業增長而激增。

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