■ 信息来源：Batteries News（作者：卡博特公司；美国马萨诸塞州比尔里卡；David Flannery，Xiaofeng Zhang，Peter Pescatore，Sean Sullivan，Jeffrey Gamble， Clare Bannon，Saeed Choudhary; 2023年12月）
全球电动汽车市场正以前所未有的速度扩张。预测显示，电动汽车的年销量将从2023年的1000万辆大幅增长到2030年的4200万辆，复合年增长率为23%。到2030年，预计全球销售的所有新车中35%将是纯电动汽车。与此同时，严格的全球安全法规正在促使电动汽车在锂离子电池中使用隔热垫片。这些措施旨在降低电动汽车电池中罕见但危险的热失控事件引发火灾的风险。
热失控源于电池单元，可由短路、电池缺陷或外部因素（如穿透电池组的钉子）引起的机械故障触发。这些热失控事件会对乘客及其财产构成危险，并可能导致汽车原始设备制造商（OEM）花费昂贵的代价召回车辆。全球安全法规规定，在发生热失控事件时，“乘客至少有五分钟的时间下车”（即UN ECE GTR 20 EVS）。
随着电动汽车市场的增长，电动汽车电池组中使用防火材料的需求将增加。由于其优异的隔热、压缩和轻质性能，气凝胶有望在纯电动汽车的电池和电池组级别上采用（图1）。
到目前为止，气凝胶已被用于软包电池和方形电池，用于两种锂离子电池正极材料：镍-钴-铝/锰（NCx）三元材料和磷酸铁锂（LFP）。圆柱电池目前采用泡沫和灌封剂进行热管理。用于软包电池和方形电池的隔热层通常是在气凝胶的隔热功能基础上，与用于压缩的泡沫和用于防止电弧的云母等互补材料相结合。
此外，这种电动汽车电池应用驱动的气凝胶需求预计将从2023年的约2亿美元增长到2034年的18亿美元。其中，三分之二的需求量将用于电芯之间的隔热，三分之一将用于电池包隔热。通常，电芯之间使用最薄的隔热层（厚度1mm-2mm），因为这是最受空间限制的子应用，而电池包级别使用更厚的隔热层（3mm-5mm），因为它是电池和客舱之间的最后一道防火线。
在电动汽车中，许多电芯紧密堆叠在一起，因此，如果一个电芯发生热失控，它可能会波及到相邻的电池，除非使用足够的隔热材料。图2中绿色所示的无源热障放置在电芯之间、电池模组中以及电池包级别，以控制和减缓热传播。
卡博特公司通过供应ENTERA气凝胶颗粒参与电动汽车热管理价值链（图3）。Cabot生产气凝胶颗粒，并将其销售给下游配方公司，这些配方公司正在为该应用开发隔热层。ENTERA气凝胶在最终的隔热层中提供了卓越的隔热性能。例如，配方公司可以将气凝胶颗粒与玻璃纤维、陶瓷纤维、粘合剂和其他助剂等材料复合，制成气凝胶垫和气凝胶毯。这些垫片可以与泡沫和云母等互补材料结合，制成最终的隔热层，然后出售给汽车原始设备制造商和电池供应商。隔热垫购买决策由设计电池包的实体做出。
ENTERA气凝胶颗粒能够为电池电动汽车制造超级绝热、不易燃、轻薄的隔热层。气凝胶90%以上由空气组成，是世界上最好的绝热材料之一。卡博特制造了一种独特形式的二氧化硅气凝胶——直径在0.1mm-1.2mm范围内的ENTERA颗粒，具有纳米尺寸的孔隙——通过低导热率减少了热传播（图4）。由于气凝胶颗粒的高度多孔结构，含有热量的单个气体分子之间的相互作用被延迟，大大减少了材料的热传递。
ENTERA气凝胶颗粒具有巨大的配方灵活性，可用于多种类型的隔热层，包括毯、垫、片材、薄膜、泡沫和涂层。ENTERA气凝胶具有几个特性，能实现突破性能：1）异常低的热导率；2） 优异的热稳定性；3）极低的密度；4） 化学稳定性；5） 疏水性；6）不易掉粉。ENTERA气凝胶在空间受限的应用中提供了卓越的绝热性，使电池包的空间得以优化，可增加电芯以延长续航里程，这是电动汽车购买者关注的一个关键因素。导热系数越低，通过材料传递的热量就越少。鉴于其极低的热导率，ENTERA气凝胶能够实现最薄的形式来实现所需的隔热效果（图5）。条形图显示了三种不同材料提供相同隔热效果所需的厚度。与陶瓷纤维纸相比，气凝胶可以将所需的隔热层厚度减少两倍，与硅酮泡沫相比，可以减少三倍。此外，ENTERA气凝胶具有优异的热稳定性，即使在热失控期间达到的温度下也是如此。Cabot测试表明，ENTERA气凝胶在暴露于高达1000°C的温度下30分钟后，仍保持其极低的热导率（≤25mW/m·K）。相对于电动汽车中常用的其他防火材料，ENTERA气凝胶的密度也极低（图6）。这种非常低的密度有助于车辆轻量化，增加每次电池充电的续航里程，并减少与电动汽车相关的排放。ENTERA气凝胶颗粒还可以提高应用于电池包外壳内部的阻燃涂层的性能。这些可喷涂的气凝胶涂层已被证明，在2mm至5mm的厚度范围内比陶瓷涂层的绝热性高出60%-70%。
ENTERA气凝胶是一种出色的隔热添加剂，可用于电动汽车电池的隔热层，最大限度地降低热失控风险。卡博特已经开发了使用ENTERA气凝胶颗粒的隔热垫原型，以展示公司的气凝胶颗粒可以达到的性能水平。ENTERA气凝胶可以用玻璃纤维、陶瓷纤维和其他材料复合。卡博特并不销售这种气凝胶隔热垫。这些颗粒能够生产出厚度均匀性良好的垫片（1mm-2mm或更厚）。该衬垫还提供了优异的隔热性能，如室温下小于25mW/m·K的热导率，不易燃，并通过了UL94 V0测试。更重要的是，Cabot进行了电池供应商和原始设备制造商常用的“冷热板”测试，该测试证实了用ENTERA气凝胶颗粒制成的绝热垫可以抑制电动汽车电池中的热传播的水平。热-冷板测试系统用于模拟热失控条件，其中热板模拟热失控触发电芯，冷板模拟正常工作电池。在热板和冷板之间插入一个气凝胶垫，以减少热传播（图7）。热电偶连接到与气凝胶垫接触的板的热侧和冷侧，并且在热板和冷板之间向垫施加50psi的压力。将热板从室温加热至650°C，并记录10分钟的温度。
该性能测试表明，与不含气凝胶的相同厚度的玻璃或陶瓷纤维垫相比，含有ENTERA气凝胶的垫可以将绝热性能提高100°C。热侧和冷侧之间的温差（Delta-T）至关重要，因为它是对从热失控触发电芯到相邻电芯的热传播（热传递）阻力水平的测量。高Delta-T可能意味着热失控事件可以被限制在一个电芯中，从而最大限度地减少其在整个电池包中传播的可能性，这最终可以为乘客提供足够的时间离开车辆。锂离子电池的热失控开始和峰值温度在正极材料（例如，NCx、LFP）之间不同，并且含有ENTERA气凝胶的隔热垫可以制成各种厚度，以提供必要的绝热性能，从而满足电动汽车电池的各种要求。此外，Cabot用ENTERA气凝胶制成的隔热垫表现出强大的机械性能，使其能够用于常见的下游工艺，如层压、粘合和卷对卷制造，而不会断裂（图8）。即使有40%重量的气凝胶颗粒，该隔热垫也保持了非常高的拉伸强度。除了组装过程中的高强度要求外，插入电芯之间的气凝胶垫必须具有良好的弹性，因为电池在充电/放电循环中会膨胀和收缩。在循环压缩试验（0-50%压缩）中，含有ENTERA气凝胶颗粒的衬垫在循环过程中表现出优异的弹性。最后，Cabot证明了ENTERA气凝胶隔热垫与粘合剂和经常加入最终隔热层的互补材料兼容。这包括泡沫压缩垫以及防电弧云母片，从而能够制造出具有附加功能的多层隔热结构。
卡博特于2023年推出了用于电动汽车的ENTERA气凝胶，重点是为电动汽车电池提供配方灵活性和绝热性能。ENTERA气凝胶产品组合包括三种产品：EV5200、EV5400和EV5800（图9）。对于开发气凝胶毯、垫、片材、薄膜和泡沫的公司来说，ENTERA EV5200气凝胶是合适的。如果分散EV5200遇到挑战，ENTERA EV5400气凝胶是一种替代品。对于开发可喷涂阻燃涂层或极薄绝热层的客户，ENTERA EV5800因其粒径小和粒径分布窄而适用。严格的全球安全法规正在推动电动汽车电池包采用隔热板，以确保乘客在热失控（可能导致火灾）的情况下能够安全下车。气凝胶是世界上最好的绝热材料之一，是电动汽车电池包等空间受限应用的理想解决方案。Cabot的ENTERA气凝胶颗粒具有优异的配方灵活性，可以使用不同的制造方法制成各种产品。此外，ENTERA颗粒气凝胶垫已被证明符合严格的电动汽车电池要求，以降低热失控的风险。Cabot提供三种ENTERA气凝胶颗粒产品，以满足下游厂家开发电动汽车电池隔热垫的需求。1 – Rho Motion: EV & Battery Market Analysis (2023)
2 – EV sales from Bloomberg NEF Updated Vehicle Outlook (2022)
3 – “Aerogels 2024-2034: Technologies, Markets and Players,” Dr. James Edmondson and Dr. Richard Collins, IDTechEx, 2023扫码加入气凝胶群友通讯录
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