南工大团队首创耐1200℃的电芯间隔热“防火墙”

来源：科技日报 时间：2023-08-21 16:14

　　8月南京骄阳似火，但也难抑南京工业大学沈晓冬教授团队的科研热情。大家扎在实验室里、盯在生产线上，专注一种新材料，希望能让其以更轻薄的“身材”、更低的成本，在耐受更高温度的同时又能绝热，让动力电池和储能电池更安全，让未来的建筑更节能，为航空航天事业提供性能更稳定的材料。

　　前不久，团队研发的耐1200℃高温氧化硅气凝胶材料还获得了1亿元的融资并成功量产。

　　这是对沈晓冬团队20年不懈攻关的犒赏。

　　此前，该团队首创并量产的耐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的隔热，为芯组筑起一道高性能“防火墙”。

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。自20世纪30年代材料诞生之日起，气凝胶便是明星材料，20世纪90年代起更享有“十大新材料之首”美誉。

　　2000年起，“专情”于水泥研究的沈晓冬，被气凝胶的多项优异性能吸引，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水解成的氧化硅水合粒子，使其在静电作用簇拥下凝胶。

　　“但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。”团队成员孔勇副教授补充道。

　　如何提高氧化硅气凝胶材料高温结构稳定性，沈晓冬教授提出了提高气凝胶骨架强度、用陶瓷纤维作为基材等新创意，但填充气凝胶纳米空隙的液体露出了短板。

　　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。

　　“就好像湿了的衣服晾干容易起皱褶、变形。”沈晓冬教授形象地介绍说，潮湿的衣服表面的水自带张力，衣服干燥脱水后，由于表面张力而使衣服收缩。

解锁：超临界态二氧化碳驱逐酒精

　　如何有效地保护气凝胶内部薄如蝉翼的网状结构？用气体填充，成为一个大胆的设想。

　　沈晓冬介绍，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，因此热导率较之空气更低，成了隔热“明星”。

　　干燥釜内的二氧化碳在特定温度和压力即超临界状态下会同时拥有液态和气态特征，气液界面消失没有表面张力。

　　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。”团队成员仲亚副教授开心地介绍说，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。

　　气凝胶材料作为绿色环保新型材料可广泛应用于石油化工、电力工业、井下作业、城镇热管和建筑节能等广阔领域，深受市场欢迎。

　　沈晓冬教授介绍，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为涵盖众多无机、高分子、金属气凝胶家族。随着动力电池和储能电池对安全性要求不断提升，气凝胶材料也蕴含巨大的社会经济效益。（金凤　杨芳）

责任编辑：杨娜