一片只有A4紙大小、硬幣厚度，輕若無物的隔熱片，在關(guān)鍵時(shí)刻卻能成為守護(hù)生命的“安全衛(wèi)士”。
在4月初舉行的第十四屆儲(chǔ)能國(guó)際峰會(huì)暨展覽會(huì)上，南京工業(yè)大學(xué)教授沈曉冬團(tuán)隊(duì)展示的一款新材料，引發(fā)眾人關(guān)注。這便是全球首款可耐受1300℃高溫的新能源鋰離子電池用高熱阻氣凝膠隔熱片。
“鋰離子電池可謂新能源汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)的‘心臟’。電池一旦熱失控，單個(gè)電芯溫度可在五六秒內(nèi)急劇攀升甚至引發(fā)爆炸，所以迅速阻斷高溫向相鄰電芯傳遞至關(guān)重要。”沈曉冬雙手包裹住一片隔熱片，向科技日?qǐng)?bào)記者演示，如果把雙手看作兩片相鄰的電芯，那么氣凝膠隔熱片就是電芯間的“防火墻”。
沈曉冬在20多年的光陰里，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升干燥技術(shù)，完善加工工藝，將氣凝膠隔熱片的耐溫性從最初的650℃，提升到如今的1300℃，熱隔絕時(shí)間延長(zhǎng)至2小時(shí)。
目前，這些“安全衛(wèi)士”已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高溫窯爐、航空航天以及寧德時(shí)代、比亞迪、陽(yáng)光電源、小米汽車等企業(yè)的動(dòng)力電池中。
耐高溫又隔熱
氣凝膠是一種輕質(zhì)絕熱材料。在掃描電鏡下，它呈現(xiàn)出由無數(shù)納米顆粒編織而成的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。“這張網(wǎng)約99%的空間由空氣填充。”沈曉冬指著電腦屏幕上一張電子顯微照片解釋，“空氣在這張網(wǎng)內(nèi)被困住‘手腳’無法移動(dòng)，所以氣凝膠的熱導(dǎo)率比空氣還低，這讓它成為材料界的‘隔熱之王’。”
與生俱來的“天賦”，讓氣凝膠在鋰離子電池中找到了“存在感”。“電池內(nèi)部空間寸土寸金，這要求隔熱材料既輕薄，又隔熱耐溫，氣凝膠便有了用武之地。”沈曉冬介紹，幾年前，國(guó)內(nèi)頭部新能源汽車廠商探索將氣凝膠應(yīng)用到電芯間隔熱，但當(dāng)時(shí)的隔熱片只能承受300℃的溫度，而電芯燃燒或者爆炸時(shí)的瞬間溫度往往在650℃甚至1000℃以上。
“當(dāng)時(shí)廠商一度要放棄氣凝膠這條技術(shù)路線。”此前已經(jīng)將氣凝膠應(yīng)用于熱力管道保溫、航天等領(lǐng)域的沈曉冬向廠商自薦，要為氣凝膠爭(zhēng)取一個(gè)證明自己的機(jī)會(huì)。
“要讓氣凝膠耐受1000℃以上的高溫，就要讓納米孔骨架更結(jié)實(shí)，納米顆粒間結(jié)合得更緊密。”團(tuán)隊(duì)核心成員、南京工業(yè)大學(xué)教授崔升和同事先是向原材料中加入氧化物，試圖讓氣凝膠更結(jié)實(shí)、不坍塌，但卻發(fā)現(xiàn)隔熱性能下降了。
“能否增加納米顆粒的比表面積，抑制熱傳導(dǎo)？”團(tuán)隊(duì)核心成員、南京工業(yè)大學(xué)教授孔勇查遍文獻(xiàn)無果，抱著試試看的心態(tài)，向原材料中添加催化劑，但氣凝膠經(jīng)過干燥后體積大幅縮小，隔熱性能比原來更差。
此路不通，團(tuán)隊(duì)回到起點(diǎn)�？子掠种匦聦徱暣呋瘎┑乃釅A度。幾經(jīng)調(diào)試終于發(fā)現(xiàn)，偏酸性的條件下，顆粒之間的結(jié)合力較弱，所以氣凝膠結(jié)構(gòu)不牢固。他將催化劑調(diào)成堿性值更大時(shí)，骨架穩(wěn)固了，成型后的氣凝膠也能保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)了。
“納米顆粒之間就像用膠水黏著一樣，既保證了氣凝膠的隔熱性，又提高了耐溫性。”孔勇說，最終團(tuán)隊(duì)研發(fā)的2.3毫米厚的氣凝膠隔熱片，可以在一面承受1000℃的高溫5分鐘后，另一面溫度不超過100℃。
低成本“干濕分離”
制備氣凝膠，材料是基礎(chǔ)，過程是關(guān)鍵。“高效超臨界干燥技術(shù)便是極難掌握的關(guān)鍵過程。”沈曉冬介紹。
所謂超臨界干燥，是將濕凝膠中的溶劑用處于超臨界狀態(tài)的二氧化碳從納米孔中“萃取”出來，再緩慢泄壓，使其變?yōu)闅鈶B(tài)逸出，從而讓納米孔內(nèi)僅留下空氣且結(jié)構(gòu)完好無損，最終得到氣凝膠。
然而，早期超臨界干燥技術(shù)僅能滿足實(shí)驗(yàn)室需求。產(chǎn)業(yè)界既缺乏完善設(shè)備，又因工藝不成熟導(dǎo)致制備效率低。無經(jīng)驗(yàn)可循、無產(chǎn)業(yè)支撐，沈曉冬團(tuán)隊(duì)的探索之路充滿考驗(yàn)。
“氣凝膠很脆，沒法單獨(dú)使用。必須借助基材的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。”因此，團(tuán)隊(duì)將含有大量酒精和水的濕凝膠溶液浸到陶瓷纖維中，放進(jìn)干燥釜里，原本預(yù)計(jì)僅需2至4小時(shí)就能干燥好，但十幾個(gè)小時(shí)后還是濕漉漉，生產(chǎn)效率極低。
如何讓濕凝膠迅速干透，成為首當(dāng)其沖的難題。團(tuán)隊(duì)核心成員、江蘇珈云新材料有限公司總經(jīng)理滕凱明領(lǐng)銜開啟了一場(chǎng)系統(tǒng)性攻關(guān)：首先降低濕凝膠含水量，將酒精純度提升至95%以上，以提高二氧化碳的萃取效率；隨后又歷時(shí)一年多，設(shè)計(jì)出多種柔性透氣隔網(wǎng)，優(yōu)化了氣凝膠氈層間二氧化碳流場(chǎng)分布、強(qiáng)化了二氧化碳的擴(kuò)散傳輸通道，使得超臨界二氧化碳更快速進(jìn)入凝膠的納米空隙中，與孔內(nèi)的酒精進(jìn)行高效傳質(zhì)。
干燥釜內(nèi)的壓力控制同樣不容小覷。快速泄壓雖能提升生產(chǎn)效率，但壓力震蕩對(duì)納米孔的沖擊會(huì)導(dǎo)致氣凝膠開裂破碎。于是團(tuán)隊(duì)嘗試每10分鐘泄壓一次，逐步摸清泄壓快慢與納米孔保持率之間的最佳平衡點(diǎn)。
成本控制是超臨界干燥的另一道坎。每一次超臨界干燥，都會(huì)從濕凝膠中萃取出大量酒精。
“這些酒精是不是可以作為原材料回收利用？”滕凱明看到了開源節(jié)流的契機(jī)。他們又花了大約兩年時(shí)間，開發(fā)了一套工藝，先針對(duì)酒精中的不同雜質(zhì)加入化學(xué)藥劑進(jìn)行預(yù)處理，破壞其與酒精的互溶關(guān)系，再通過精餾提純，最終實(shí)現(xiàn)乙醇回收率超99.5%，僅原料成本便降低了一半以上。
彈性壓縮超90%
工藝穩(wěn)定性問題解決后，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景又帶來新問題。傳統(tǒng)二氧化硅氣凝膠是典型的脆性材料，一捏就碎。但新能源電池、儲(chǔ)能電池在充放電時(shí)，就像“呼吸”一樣，會(huì)不斷膨脹、收縮，對(duì)氣凝膠形成反復(fù)擠壓。如何讓氣凝膠柔軟可壓縮，又能在壓縮后保持回彈和支撐性，同時(shí)還能不破壞納米孔，構(gòu)成一個(gè)“不可能三角”。
這一次的破題靈感，來自氣凝膠的“親戚”——硅橡膠。硅橡膠能在-100℃至300℃的寬泛溫度范圍內(nèi)保持彈性，且物理性能變化極小。
“能否仿照硅橡膠的分子構(gòu)型，將氣凝膠從剛性結(jié)構(gòu)變成彈性結(jié)構(gòu)？”孔勇提出這一構(gòu)想，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行“微型手術(shù)”，通過選擇性“敲除”納米孔網(wǎng)格的部分連接節(jié)點(diǎn)，讓整張網(wǎng)相對(duì)松散、更Q彈。
孔勇打了個(gè)比方：“這類似搭腳手架，如果每根鋼管和連接件都嚴(yán)絲合縫，整個(gè)作業(yè)平臺(tái)就都很穩(wěn)固；但松開其中幾個(gè)連接件，平臺(tái)就會(huì)搖晃一些，出現(xiàn)滑移，但又不會(huì)散架。”
“敲除”是個(gè)精細(xì)活。多了，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)散架，耐高溫和高效隔熱就無從談起；少了，材料又硬邦邦。
孔勇和團(tuán)隊(duì)一次次地通過催化劑的用量和種類，調(diào)試反應(yīng)溶液的酸堿度，為氣凝膠納米孔生長(zhǎng)過程中的水解—聚合反應(yīng)提供溫和可控的環(huán)境，使氣凝膠骨架長(zhǎng)成一種長(zhǎng)鏈的、相對(duì)松散自由的形態(tài)，氣凝膠彈性壓縮超90%而結(jié)構(gòu)和性能依然沒有被破壞。
歷經(jīng)多年技術(shù)迭代，沈曉冬團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼等多種耐高溫氣凝膠隔熱材料。2025年，江蘇珈云新材料有限公司實(shí)現(xiàn)銷售收入2億余元。
“十五五”規(guī)劃綱要提出，加快新能源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這讓沈曉冬對(duì)未來充滿期待：“我們將加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，推動(dòng)氣凝膠隔熱材料從新能源電池的‘高端選配’變?yōu)?lsquo;主流必配’，同時(shí)探索開拓其在消防、商業(yè)航天、太空算力等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)建立中國(guó)的氣凝膠納米材料產(chǎn)業(yè)體系。”
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