新能源汽车离不开新能源动力电池。然而动力电池一旦发生热失控，从冒烟到爆炸仅需56秒。如何迅速阻断某一个电芯热失控时的热传递？近日，江苏先进无机功能复合料协同创新中心主任、南京工业大学材料科学与工程学院沈晓冬教授团队研发的耐1200℃高温氧化硅气凝胶材料成功应用于锂离子动力电池芯组间，为芯组构筑了一道高性能“防火墙”，为动力电池穿上安全“隔热服”。

跨界：

从水泥到气凝胶的完美转身

气凝胶是一种三维纳米网络结构的纳米材料，具有低密度、高比表面积和低热导率等优异性能。“气凝胶纳米级网状骨构孔洞中超99%的空隙由空气填充。”沈晓冬介绍说，“空气是热的不良导体，而气凝胶中的空气被网格绊住了‘脚’无法流动，因此导热力较之空气更低，成了隔热‘明星’。”

2005年前，“专情”于水泥研究的沈晓冬，被气凝胶隔热特质所吸引，开始研究同属硅酸盐材料的氧化硅气凝胶。

研究团队最初采取的是将正硅酸四乙酯放入溶液中搅拌，将其水解成氧化硅水合粒子，使其在静电作用簇拥下深入基材缝隙。“气凝胶单体太过脆弱，无法独当一面，必须借助基材的结构强度。”项目团队成员孔勇副教授补充说。

如何提高氧化硅气凝胶材料高温结构稳定性，沈晓冬提出了用陶瓷作基材的新创意。他表示：“理想的网孔正在朝着期待的样子逐渐形成，但是此时坐拥纳米空隙的是酒精而非空气。”

实验表明，纳米孔隙中饱含的液体在分离时会产生巨大张力，而这会让网状结构面临崩塌的风险。如何有效地保护气凝胶内部薄如蝉翼的网状结构？“唯有气体代替液体，才能改变张力消失所导致的变形。”沈晓冬说道。

解锁：

超临界态二氧化碳驱逐酒精

干燥釜内的二氧化碳在超临界状态下会同时拥有液态或气态特征，表明当超临界状态的二氧化碳在气体状态时可抵消张力。于是，研究团队利用这一特点，在超临界状态下“秒”抽酒精，由空气代替酒精入驻孔隙，保护凝胶的网状结构。“我们在动力电池每两个电芯组之间放入研发的气凝胶材料，并通过引爆其中一块电芯，来考验在气凝胶保护下的其余四块测试电芯，能否抵御高温失控的危险。”项目团队成员仲亚副教授介绍说，“经过多次试验，他们发现电芯被引爆后高达1200℃的火焰没有突破气凝胶所筑就的“防火墙”，祸及其他电芯。”

今年5月，沈晓冬团队研发的耐1200℃新型气凝胶产品实现了量产，在锂离子动力电池、储能电池电芯间隔热防护、高温设备、热力管道保温等领域实现了应用，取得了良好的社会和经济效益。

展望：

助力气凝胶生产向“国际化”转变

据沈晓冬介绍，气凝胶材料已被列入战略新兴产业，随着基础研究的不断深入，气凝胶已从最初的氧化硅气凝胶发展成能涵盖众多无机、高分子、金属气凝胶家族。多年来，他带领团队勤耕不辍，推动建立中国气凝胶材料产业体系，助力我国气凝胶新材料处于国际并跑领跑地位。

“我们研发的成果突破了氧化硅气凝胶材料存在的耐高温性能差等技术难点，建立了完整的自主知识产权体系。”项目团队成员吴晓栋博士自豪地说。

研究团队从2000年开始从事气凝胶等纳米材料研究。在20多个省部级及以上项目的支持下，研究团队聚焦气凝胶材料隔热、吸附、载药和光催化4个领域开展基础研究和产业化工作，相关研究成果已在多家企业实现产业化应用。

沈晓冬表示，气凝胶技术还有无限大的市场空间，作为研究者，他们还必须奋力攀登，齐心助力气凝胶生产向“国际化”转变。

2023年8月22日《中国化工报》2版：http://mpaper.ccin.com.cn:81/pc/page.do?pageId=669851&pId=1561