Об этом сообщило издание Кэцзи жибао.
Контекст
Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке транспортных средств на новых источниках энергии (их доля превышает 90 %) благодаря таким преимуществам, как высокая удельная энергоемкость (обычно достигающая 200–300 Вт·ч/кг), длительный срок службы (более 2000 циклов) и возможность эксплуатации в широком диапазоне температур (от -20 °C до 60 °C).Однако такие факторы, как старение аккумулятора, механические удары, воздействие высоких температур, тепловой разгон (неконтролируемый саморазогрев) и перегрузка, могут привести к возгоранию. В настоящее время теплоизоляционные свойства, термостойкость и противопожарные характеристики огнестойких материалов (например, ватина, войлока), используемых в автомобильных аккумуляторах, не соответствуют требованиям, предъявляемым к аккумуляторам с высокой плотностью энергии, из-за интенсивного горения и высоких температур, возникающих при тепловом разрушении.
При нештатных условиях эксплуатации, особенно при перезарядке или перегреве, внутри литий-ионных аккумуляторов происходит цепная экзотермическая реакция, которая приводит к тепловому разгону и выделению огромного количества тепловой энергии за миллисекунды (при температуре выше 800 °C). По статистике, примерно 70% случаев самовозгорания в электромобилях происходят из-за нарушения изоляции внутренних элементов аккумулятора.
Когда отдельный элемент аккумулятора мгновенно выделяет несколько мегаджоулей тепла из-за внутреннего или внешнего короткого замыкания, температура повышается со скоростью сотни оС/сек. Неконтролируемое выделение тепла в одной батарее приводит к каскадному тепловому разгону соседних элементов за счет теплопроводности и струйного горения, что в конечном итоге приводит к системному сбою в работе аккумуляторного модуля или даже всей батареи.
Использование высокоэффективных изоляционных листов для разделения аккумуляторных блоков является одной из эффективных технологий снижения риска распространения теплового разряда. Важен баланс между термобезопасностью аккумуляторных систем с высокой удельной энергоемкостью и одновременным повышением удельной энергоемкости. Широкое применение систем с высокой удельной энергоемкостью, таких как аноды на основе кремния и твердотельные аккумуляторы, сопряжено с риском теплового разгона, что создает серьезные проблемы для систем терморегулирования аккумуляторов.
На этом фоне теплоизоляционные и огнестойкие аэрогелевые материалы становятся революционным решением для следующего поколения систем термозащиты силовых аккумуляторов. Благодаря исключительным теплоизоляционным свойствам нанопористой структуры (теплопроводность 0,013–0,018 Вт/ (м · К) при комнатной температуре) и чрезвычайной огнестойкости (термостойкость > 1100 ° C/ огнестойкость UL94 V-0) аэрогели приобретают все большее значение.
Подробности разработки высокотермостойкого изоляционного листа
Разработка выполнена научным коллективом под руководством профессора С. Шэня из Нанкинского технологического университета. Исследователь посвятил изучению аэрогелевых теплоизоляторов 20 лет. За указанный период ему удалось повысить предельную термостойкость изоляционных листов с 650 °C до 1300 °C.Изолятор ориентирован на применение в тяговых аккумуляторных батареях электромобилей. Материал представляет собой изоляционный лист на основе кремнеземного аэрогеля, предназначенный для замедления теплопередачи между элементами литий-ионной батареи во время термического выхода из-под контроля. В таких случаях температура ячеек может резко повыситься в течение нескольких секунд и распространиться на соседние ячейки.
В ходе испытаний лист толщиной 2,3 мм, подвергавшийся воздействию температуры 1000°C в течение пяти минут, сохранял противоположную сторону при температуре ниже 100°C. Материал может сохранять тепловую изоляцию до двух часов. Ранее решения для аккумуляторных аэрогелей обычно работали при температуре около 300°C, что ниже диапазона 650–1000°C, наблюдаемого при сгорании элементов. В новой версии допуск увеличен с 650°C до 1300°C.
Структура аэрогеля состоит из нанопористой сети, примерно на 99% состоящей из воздуха, что ограничивает теплопроводность. Исследовательская группа улучшила термостойкость, укрепив эту структуру и регулируя условия катализатора во время синтеза.
Чтобы решить проблему хрупкости, материал был разработан так, чтобы обеспечить упругое сжатие более 90% при сохранении структурной стабильности. Это согласуется с работой батареи, при которой ячейки многократно расширяются и сжимаются.
Исследователям удалось оптимизировать процесс сушки CO2 в сверхкритическом состоянии. Повышение эффективности включало рекуперацию растворителей, при этом повторное использование этанола превысило 99,5%, что позволило снизить затраты на сырье более чем в 2 раза. Эти изменения в процессах позволили перейти от лабораторных разработок к промышленному производству.
Материал аэрогеля уже используется в аккумуляторных системах CATL, BYD, Sungrow и Xiaomi. В дальнейшем инженеры намерены оценить возможности использования нового высокотермостойкого аэрогелевого изолятора в сфере противопожарной защиты, а также в коммерческой аэрокосмической отрасли промышленности.
Автор: А. Шевченко
