双纳米网络耐高温气凝胶材料作为热管理功能集成的实验研究

来源 | Journal of Energy Chemistry

原文 | https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.07.064

背景介绍

严重的能源短缺和气候变暖加剧了开发新型储能技术的必要性。环保型电动汽车和储能站已被证明是解决全球问题的可能方案。锂离子电池因其较高的比能量密度而被认为是一种有前途的替代品，循环寿命长以及更少的自放电。然而，高低温循环、高倍率充放电循环等异常操作可能会影响电化学特性和热稳定特性，导致电池性能下降，甚至发展为热失控。因此，锂离子电池的热安全问题引起了广泛关注。高效的隔热是缓解热失控传播、限制损害的可行方法之一。此外，设计智能电池热管理系统（BTM）以减少锂离子电池日常运行过程中的热量积累，并防止热失控发生时的热量传递，不仅可以延长其使用寿命，还可以提高锂离子电池的安全性。

热失控传播（TRP）的隔热技术逐渐被人们所关注。考虑到电池组的高能量密度，隔热材料需要尽可能薄，这就要求其导热系数极低。气凝胶以其超轻的性质和强大的隔热能力而闻名。一些学者尝试使用气凝胶材料来防止TRP，采用预氧化丝气凝胶和其他气凝胶纤维来阻止LiCoO2软包锂电池模块的热扩散，分别采用气凝胶片材、纳米纤维和复合相变材料作为保温材料，实现TRP的完全预防。由铜膜和二氧化硅气凝胶组成的隔热板已被证明能有效降低对流、传导和辐射的热传递，但由于热失控引起的热影响较大，环境温度上升到800℃以上，如果更多电池发生热失控，这种情况将会恶化。传统二氧化硅气凝胶的多孔结构会塌陷，导致隔热性能下降。因此，迫切需要研究耐高温气凝胶作为电池模块隔热材料。

成果掠影

近日，中国科技大学火灾科学国家重点实验室程旭东教授团队提出了一种基于耐高温气凝胶和相变材料的热管理功能集成材料，并应用于充放电过程和热失控情况。在这种夹层结构的石蜡@SiC 纳米线/气凝胶片（表示为 PA@SAS）系统中，SiC 纳米线赋予中间的气凝胶片（SAS）双纳米网络结构。通过压缩测试和动态力学分析研究了 SAS 的增强力学性能。此外，SAS 在 600 °C 下的导热系数仅为 0.042 W/(m·K)。表面相变材料层通过潜热促进电池温度均匀性（表面温差小于1.82°C）。PA@SAS在温升速率、火焰热流密度等其他安全问题上也表现出优异的性能。轻量化特性和有效的隔热性能使安全性得到显著提高，质量和体积能量密度分别仅降低0.79%和5.4%。本研究的独创性源于所提出的热管理材料的微观和宏观结构设计以及每个组件固有优势的结合。这项工作为实现热管理功能集成到气凝胶复合材料中提供了可靠的设计，并提高了锂离子电池的热安全性。研究成果以“Experimental study of dual nano-network, high-temperature resistant aerogel material as an integration of thermal management functions”为题发表在《Journal of Energy Chemistry》期刊。

图文导读

图2 PA@SAS中双纳米网络的结构设计和微观形貌。(a)PA@SAS的制造示意图。（b，c）PA@SAS在不同放大倍数下的微观结构，展示了由硅酸铝纤维增强的气凝胶。(d)真空浸渍后被石蜡覆盖的气凝胶颗粒的显微形貌。(e)由碳化硅纳米线和气凝胶颗粒构建的双纳米网络。（f，g）真空浸渍前后气凝胶颗粒的透射电镜图像，表明石蜡覆盖成功。

图3 PA@SAS结构的表征。(a)PA@SAS夹层结构（吸热保温隔热）横截面的微观形态。(b)用中性、酸性和碱性溶液测试了水的接触角，证明了PA@SAS的疏水性。气凝胶的(c) XPS，SAS，PA@SAS。(d)@SAS各组分的O 1s、C 1s、Si 2p谱(e) XRD谱，(f) FTIR谱。

图4 SAS的耐高温性。(a)SAS受到丁烷火焰的热影响20 min，没有任何损坏。（b，c）不同温度加热2h后SAS的孔隙结构变化和氮气吸附-解吸曲线。(d)热处理2h后SAS的宏观和微观形态。(e)SAS相对于热处理温度的线性收缩率。(f)空气中碳化硅纳米线、SAS、石蜡和PA@SAS的TG曲线。(g)热处理后SAS的转移原位XRD谱。