羅明凱 何亮 謝擎宇 丁帥 劉文龍 周立春 王思哲 廖家軒

收稿日期：2023-05-09

基金項(xiàng)目：四川省自然科學(xué)基金（2023NSFSC0185）

作者簡(jiǎn)介：羅明凱（1998—），男，碩士研究生，從事隔熱材料的研究.Email：1416129886@qq.com

通信作者：劉文龍 （1984—）， 男，教授，從事食品安全檢測(cè)與質(zhì)量控制研究.Email： liuwenlong_666@126.com

摘要：氣凝膠是一種具有高孔隙率、高比面積、低密度與低熱導(dǎo)率的超級(jí)隔熱材料，有著傳統(tǒng)隔熱材料無法比擬的隔熱性能.通過文獻(xiàn)調(diào)研，簡(jiǎn)要介紹了氣凝膠的制備方法與隔熱機(jī)理，歸納總結(jié)了氣凝膠在航空航天、建筑、織物與新能源汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域的隔熱應(yīng)用，并對(duì)氣凝膠的局限性和發(fā)展做出了總結(jié)和展望，以期對(duì)后續(xù)的相關(guān)研究提供幫助.

關(guān)鍵詞：氣凝膠；隔熱；超級(jí)隔熱材料

中圖分類號(hào)：TQ427.26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

氣凝膠是一種通過膠粒或高聚物分子相互連接形成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的固體材料［1］（見圖1）.氣凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架包含大量孔隙，骨架的固體顆粒和孔隙結(jié)構(gòu)是納米級(jí)的，獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)賦予了氣凝膠低密度、小孔徑、高比面積、高孔隙率和低導(dǎo)熱率的特性［2］.

Kistler于1931年通過溶膠—凝膠法和超臨界干燥技術(shù)成功制備出了二氧化硅、氧化鋁、明膠、瓊脂和纖維素等氣凝膠［3-5］.自此氣凝膠的性能被逐漸發(fā)掘與提升.氣凝膠的歸類方法有很多種，根據(jù)外觀可分為塊體氣凝膠、粉體氣凝膠和膜氣凝膠；根據(jù)制備方法可分為氣凝膠、干凝膠、凍凝膠和氣凝膠相關(guān)材料；根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)可分為微孔氣凝膠（<2 nm）、中孔氣凝膠（2～50 nm）和大孔氣凝膠（>50 nm）；最常用的分類方法是按照組分，根據(jù)組分可分為無機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、復(fù)合氣凝膠和氣凝膠復(fù)合材料等［6-7］.

氣凝膠作為超級(jí)隔熱材料中納米多孔隔熱材料的典型代表，氣凝膠的孔隙和納米網(wǎng)絡(luò)的彎曲路徑分別阻止了氣態(tài)熱傳導(dǎo)和凝膠骨架的固態(tài)熱傳導(dǎo)， 通過添加輻射抑制劑可以降低對(duì)輻射熱的吸收.氣凝膠對(duì)3種基本傳熱方式（對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射）均有良好的抑制效果，是目前公認(rèn)熱導(dǎo)率最低的固體隔熱材料之一，常溫下約為0.015 W/（m·K）［8］，隔熱性能僅次于真空隔熱板［9］.

1氣凝膠制備方法

氣凝膠的制備方法一般由2個(gè)過程組成，分別是溶膠—凝膠過程和干燥過程，對(duì)于有機(jī)氣凝膠會(huì)多出1個(gè)碳化的過程.石墨烯氣凝膠為了避免石墨烯在組裝過程中出現(xiàn)無效團(tuán)聚的情況，還會(huì)采取模板法、支撐法、熱液組裝法和交聯(lián)增韌法來制備.溶膠—凝膠過程通過水解和縮聚反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到濕凝膠產(chǎn)物，通過干燥將液態(tài)介質(zhì)置換為氣態(tài)介質(zhì)得到氣凝膠產(chǎn)物［10-12］.

氣凝膠的溶膠—凝膠過程受pH值和溫度影響較大，在前驅(qū)體溶液中加入酸后，可以縮短水解時(shí)間，H+可以促進(jìn)前驅(qū)體的水解，前驅(qū)體單體通過緩慢縮聚反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔餇顟B(tài)，溶膠開始生長線性結(jié)構(gòu)，形成低密度、弱交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).但是過低的pH值反而會(huì)延長凝膠時(shí)間，因?yàn)檫^低的pH值會(huì)使得縮聚反應(yīng)速率極低.在堿性條件下，OH-會(huì)促進(jìn)前驅(qū)體單體的縮聚反應(yīng)，形成致密的膠體顆粒.通常，堿性條件下催化的氣凝膠孔隙率高、脆性大;酸性條件下催化的氣凝膠力學(xué)性能較好，結(jié)構(gòu)較為致密，密度大，保溫隔熱性能下降.前驅(qū)體與溶劑的配比也會(huì)影響到氣凝膠的性能，溶劑的用量可以直接影響到凝膠網(wǎng)絡(luò)和孔隙尺寸.溶劑用量較大時(shí)，制備出的氣凝膠密度較低、脆性大；溶劑用量過少時(shí)，會(huì)使得前驅(qū)體與水不能完全互溶，無法得到均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

干燥過程對(duì)于氣凝膠的制備也是至關(guān)重要的，要成功制備氣凝膠，就必須通過干燥去掉溶劑，通過干燥將濕凝膠孔隙中的液態(tài)介質(zhì)置換為氣態(tài)介質(zhì)才能得到最終的氣凝膠產(chǎn)物.常用的干燥方法有超臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥［11-14］.氣凝膠在干燥過程中受到氣液界面的表面張力和毛細(xì)管應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生巨大的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致制備氣凝膠極其容易破碎.超臨界干燥通過將干燥介質(zhì)加壓升溫達(dá)到臨界狀態(tài)去替換掉溶劑，在超臨界狀態(tài)時(shí)，氣液界面消失，可以通過排泄閥緩慢釋放干燥介質(zhì)，可以避免或減少氣凝膠大幅度的收縮和開裂;冷凍干燥是通過在低溫條件下將氣/液界面轉(zhuǎn)變?yōu)闅?固界面，將濕凝膠冷凍過后，再將溶劑升華，得到氣凝膠；常壓干燥是在常壓環(huán)境和較低的溫度下對(duì)濕凝膠進(jìn)行干燥，通常干燥周期較為漫長，為了獲得完整塊狀氣凝膠，干燥時(shí)間甚至?xí)^1年.

超臨界干燥相比其余2種干燥方式，由于沒有毛細(xì)管應(yīng)力和表面張力參與，納米結(jié)構(gòu)的多孔網(wǎng)絡(luò)得以維持，得到的氣凝膠最為完整.超臨界干燥工藝也存在較大局限性，由于需要升溫加壓到超臨界狀態(tài)，會(huì)采用大量的干燥介質(zhì)進(jìn)行置換，并且干燥過程消耗了大量電力.考慮到安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)3個(gè)要素，超臨界干燥工藝想要大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，存在較大限制.冷凍干燥通過升華去掉了溶劑，但是在干燥之前也消耗了大量有機(jī)溶劑進(jìn)行置換，并且溶劑升華后形成的通常是開孔結(jié)構(gòu)，并不是介孔結(jié)構(gòu).常壓干燥相比于其余的干燥方式，無需特殊的制備環(huán)境，并且安全性較高，但是由于常壓干燥會(huì)受到較大的氣液界面張力和毛細(xì)管應(yīng)力，制備出的氣凝膠樣品通常不是完整的塊體.如何降低前驅(qū)體的成本，減少氣凝膠溶膠—凝膠過程的時(shí)間和干燥所需的時(shí)間，以及利用常溫常壓干燥技術(shù)制備出高質(zhì)量塊狀氣凝膠是目前面臨的重大挑戰(zhàn).

2氣凝膠隔熱機(jī)制

多孔材料存在3種基本的傳熱模式，對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射傳熱.氣凝膠的傳熱機(jī)制分為固體熱傳導(dǎo)、氣體熱傳導(dǎo)、氣體熱對(duì)流、輻射傳熱與耦合傳熱［15-16］.圖2展示了氣凝膠材料的隔熱能力和傳熱途徑.

固體熱傳導(dǎo)主要是通過晶格振動(dòng)和自由電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳熱；氣體熱傳導(dǎo)主要通過原子和分子相互碰撞進(jìn)行傳熱；熱對(duì)流主要是通過氣體分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳熱；輻射傳熱是指物體內(nèi)部粒子受激后產(chǎn)生電磁波進(jìn)行傳熱.聲子是晶格振動(dòng)的最小能量單元，可以通過隨機(jī)的能量波動(dòng)產(chǎn)生和破壞，點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)和晶界是凝聚態(tài)材料中最常見的晶體缺陷.目前，普遍認(rèn)為聲子—缺陷相互作用在導(dǎo)熱性中起著決定性的作用，特別是當(dāng)材料的尺寸縮小到納米尺度時(shí)［17］.

氣凝膠是一種具有三維納米孔結(jié)構(gòu)的固體材料，氣凝膠結(jié)構(gòu)中存在著大量的固—固界面（納米骨架）和固—?dú)饨缑妫紫叮?，?duì)于聲子有著較強(qiáng)的散射作用，因此，固體熱導(dǎo)率較低.

由于氣凝膠的孔隙通常在納米級(jí)，對(duì)于多孔介質(zhì)，當(dāng)孔徑小于4 mm時(shí)，幾乎不發(fā)生熱對(duì)流，對(duì)流傳熱對(duì)于熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì).并且氣凝膠的納米孔徑一般是接近或小于空氣的平均自由程，介孔（2～50 nm）孔隙可以產(chǎn)生很好的克努曾效應(yīng)，空氣分子自由運(yùn)動(dòng)被嚴(yán)重限制，因此，氣體熱導(dǎo)率也較低.常溫環(huán)境下，氣凝膠輻射傳熱對(duì)熱導(dǎo)率貢獻(xiàn)并不大，主要是由熱傳導(dǎo)貢獻(xiàn)，但隨著溫度升高，輻射傳熱效應(yīng)變得十分明顯.根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，輻射傳熱能力與溫度呈四次方的關(guān)系，輻射傳熱成為傳熱的主導(dǎo)，高溫環(huán)境下，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)通常會(huì)急劇上升，因?yàn)闅饽z的輻射隔熱能力較差，純氣凝膠對(duì)于近紅外波長幾乎是透明的，熱輻射以電磁波形式透過氣凝膠材料，導(dǎo)致氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)顯著上升.通常需要添加遮光劑改善輻射隔熱能力，例如，常見的炭黑、碳化硅和二氧化鈦等［18］.但是大尺寸粒子的加入，會(huì)對(duì)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度破壞.

3氣凝膠的隔熱應(yīng)用

3.1在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

與航空航天相關(guān)的隔熱應(yīng)用包括低溫流體容器、火箭、航天器、空間站、切倫科夫散熱器、天窗窗戶和艙外活動(dòng)服等.航空航天領(lǐng)域的隔熱材料使用條件極為苛刻，環(huán)境溫度范圍為-250～2 000 ℃，很少有材料能滿足使用條件.目前，氣凝膠在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣為人知的例子是NASA“星辰計(jì)劃”中超高速粒子的收集裝置和火星探測(cè)器中電子盒的隔熱應(yīng)用（見圖3）.

應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的氣凝膠主要有氧化物氣凝膠、碳?xì)饽z、氮化物氣凝膠和碳化物氣凝膠.其中，氧化物氣凝膠耐溫能力比碳?xì)饽z、氮化物氣凝膠和碳化物氣凝膠較差，并且氧化物氣凝膠在高溫800～1 000 ℃下容易收縮和燒結(jié)，比如典型的二氧化硅氣凝膠和氧化鋁氣凝膠，二氧化硅氣凝膠使用溫度范圍僅為600～700 ℃，氧化鋁氣凝膠在高溫下易發(fā)生相轉(zhuǎn)變從而導(dǎo)致體積出現(xiàn)收縮或膨脹.碳?xì)饽z在2 000～3 000 ℃的惰性氣氛或涂覆抗氧化涂層的情況下具有良好的隔熱效果，但在高于350 ℃氧氣氣氛環(huán)境下容易出現(xiàn)氧化，從而影響隔熱性能，這是碳?xì)饽z在使用過程中的較大限制因素.碳化物氣凝膠在1 500 ℃以上通常能夠保持良好的機(jī)械性能和抗氧化性能，隔熱效果也非常優(yōu)異.為了克服以上氣凝膠在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中存在的缺陷，通常采取摻雜改性與多組分復(fù)合的方式提升氣凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、機(jī)械性能與抗氧化性能.例如，將二氧化硅與氧化鋁氣凝膠復(fù)合，復(fù)合氣凝膠的耐溫極限得到了提升，并且復(fù)合氣凝膠物相更加穩(wěn)定，相變發(fā)生的可能性大大降低.通過摻雜纖維提升氣凝膠的力學(xué)性能也是常見的手段.未來應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的氣凝膠將朝著耐超高溫、多組元與力學(xué)性能增強(qiáng)的方向發(fā)展.

3.2在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻壁、屋頂和窗戶）占了冬季熱量損失和夏季熱量增加的絕大部分，如果不對(duì)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔熱保溫，想要降低能耗與碳排放幾乎不可能實(shí)現(xiàn).常見的建筑隔熱材料有巖棉、玻璃棉、發(fā)泡聚苯乙烯和擠塑聚苯乙烯，高性能泡沫隔熱材料有聚氨酯和酚醛樹脂.這些材料存在著隔熱效果差、密度大與易燃等缺點(diǎn)，但是氣凝膠作為熱導(dǎo)率低于0.02 W/（m·K）的超級(jí)隔熱材料，具有熱導(dǎo)率低、不燃與密度低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有優(yōu)異的光學(xué)與聲學(xué)性能.目前建筑領(lǐng)域用的氣凝膠產(chǎn)品包括氣凝膠玻璃（見圖4）、氣凝膠涂料（見圖5）、氣凝膠磚與氣凝膠水泥.當(dāng)前常規(guī)的纖維類和泡沫類隔熱材料占據(jù)著隔熱市場(chǎng)大部分份額，但是科研人員認(rèn)為常規(guī)隔熱材料的熱導(dǎo)率已經(jīng)達(dá)到極限，未來超級(jí)隔熱材料是發(fā)展的趨勢(shì).

目前，相關(guān)氣凝膠建筑隔熱材料已經(jīng)開始使用，耶魯大學(xué)雕塑大樓和畫廊幕墻中使用了半透明氣凝膠隔熱材料.Schultz等［19］開展了一項(xiàng)基于單片硅氣凝膠的超絕緣玻璃項(xiàng)目，原型尺寸大約55 cm×55 cm，用2層低鐵玻璃之間的15 mm真空氣凝膠制成.Reim等［20-22］開發(fā)了基于顆粒氣凝膠的窗戶，顆粒二氧化硅氣凝膠集成到高絕緣半透明玻璃中.Jensen等［23］開發(fā)了一個(gè)整體氣凝膠窗戶，通過施加壓力，結(jié)合真空玻璃技術(shù)開發(fā)了該窗口，測(cè)量的總熱損失系數(shù)為0.66 W/（m2·K），太陽透射率Tsol大于0.85.與傳統(tǒng)窗戶相比，氣凝膠窗戶減少了55%的熱量損失，同時(shí)與普通窗戶相比，氣凝膠窗戶兼具阻燃與隔音的效果，同時(shí)具有較高透明度.氣凝膠不僅適用于新型建筑，對(duì)于老舊建筑的隔熱需求，氣凝膠也能滿足，如博物館與歷史遺址等對(duì)隔熱阻燃要求較高的建筑，氣凝膠材料非常適合于用作外墻與屋頂?shù)母魺岱雷o(hù)，能夠起到阻燃、隔熱與隔音的效果，對(duì)老舊建筑起到很好的保護(hù)作用［24］.

相比于傳統(tǒng)建筑隔熱材料，氣凝膠有著更高效的隔熱性能和更輕薄的尺寸.但氣凝膠也存在一定局限性，如作為結(jié)構(gòu)材料（氣凝膠磚和氣凝膠水泥），綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)材料.氣凝膠玻璃需要用傳統(tǒng)玻璃材料給氣凝膠做夾層保護(hù)，克服自身固有的脆性.氣凝膠涂料通常是將氣凝膠粉體分散在涂料中，親水性的氣凝膠分散在涂料中會(huì)吸收空氣中的水分，極易造成涂層開裂，通過有機(jī)改性劑對(duì)親水氣凝膠改性后，有機(jī)成分又導(dǎo)致了涂層易燃的問題，以及氣凝膠涂層對(duì)于不同建筑基材的適應(yīng)性問題，這些都是目前亟待解決的問題.未來應(yīng)用在建筑領(lǐng)域的氣凝膠將朝著高強(qiáng)度、易分散、超疏水、隔音與阻燃等方向發(fā)展.

3.3在織物領(lǐng)域的應(yīng)用

服裝對(duì)于調(diào)節(jié)傳熱方面起到了舉足輕重的作用，正常情況下，人類通過汗腺、肌肉運(yùn)動(dòng)與血管收縮擴(kuò)張調(diào)節(jié)自身溫度.然而，在強(qiáng)光、強(qiáng)風(fēng)與冷雨等惡劣自然環(huán)境下，人體皮膚表面溫度會(huì)迅速變化，導(dǎo)致人體不適、中暑與體溫過低，甚至死亡.因此，服裝的開發(fā)是為了在炎熱環(huán)境下抵御自然環(huán)境的熱量，在寒冷環(huán)境下保持人體處于溫暖的狀態(tài)，從而使人類免受嚴(yán)寒和酷暑的影響［25-26］.

氣凝膠在織物隔熱的應(yīng)用也非常突出，以二氧化硅氣凝膠的研究與商業(yè)化最為成熟.在2002年，阿斯彭氣凝膠公司就已經(jīng)研制出用于太空服隔熱保溫襯里的高耐受與高柔韌的氣凝膠.18 mm厚度的氣凝膠內(nèi)襯可以抵御-130 ℃的低溫.Corpo Nove公司開發(fā)出了能耐受-25 ℃～1 500 ℃的氣凝膠防寒服.2009年，阿斯彭氣凝膠公司與Element21公司合作開發(fā)了一款氣凝膠纖維作為超薄夾克的材料，隨后氣凝膠類鞋墊與睡袋護(hù)墊也被開發(fā)出來作為戶外防寒用品.在消防服等功能性服裝中使用氣凝膠，也取得了較好的隔熱阻燃效果［27］.同時(shí)，氣凝膠密度低與體積小，不會(huì)造成消防服臃腫，使用了氣凝膠消防服的熱防護(hù)效果得到了顯著提升，延遲了造成二級(jí)燒傷的時(shí)間，消防員有了更充足的時(shí)間開展救援工作與撤離［28］.

相比于傳統(tǒng)織物，氣凝膠織物有著更加輕便與更高效的隔熱保溫性能，是一種理想的隔熱保溫織物.通常納米纖維氣凝膠是非常適合用作織物材料的氣凝膠，納米纖維氣凝膠具備良好的柔韌性、透氣性和良好隔熱保溫性能，可以對(duì)人體起到良好的保護(hù)作用，同時(shí)具備傳統(tǒng)織物的舒適感.氣凝膠織物也存在著一定的局限性，通常氣凝膠織物有2種制備途徑：一種是，直接將溶膠進(jìn)行靜電紡絲得到凝膠纖維，再進(jìn)行干燥處理，得到氣凝膠纖維；另一種是，將纖維與氣凝膠復(fù)合.通常前一種方法制備的氣凝膠纖維性能較好，后一種方法制備的氣凝膠纖維容易出現(xiàn)掉粉現(xiàn)象，氣凝膠與纖維材料結(jié)合較差，并且掉粉情況對(duì)人體的健康存在危害，會(huì)引起一系列的呼吸系統(tǒng)疾病.未來氣凝膠織物的發(fā)展趨勢(shì)將是朝著更高效、更健康與更智能的方向發(fā)展，解決氣凝膠與纖維材料復(fù)合結(jié)合性差的問題，實(shí)現(xiàn)熱、電與光響應(yīng)的智能性，增加織物的疏水性、可洗滌性與降解性.

3.4在新能源汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用

新能源汽車動(dòng)力電池在受到機(jī)、電、熱誘因或者耦合作用下，會(huì)發(fā)生一系列鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)，不可控制地釋放出異常熱量，進(jìn)而導(dǎo)致電池單體、模組、電池包到整車的冒煙、燃燒與爆炸等一系列危險(xiǎn)后果（見圖6）.當(dāng)前，新能源汽車火災(zāi)事故頻頻發(fā)生，究其原因是鋰離子電池受到擠壓、碰撞、穿刺、過充放電及高溫環(huán)境等誘因下發(fā)生了熱失控，導(dǎo)致了新能源汽車的火災(zāi)事故發(fā)生［29-31］.

動(dòng)力電池?zé)崾Э氐母驹蛟谟趧?dòng)力電池本身的安全性不高，熱穩(wěn)定性差.直接提升動(dòng)力電池的安全性與熱穩(wěn)定性技術(shù)難度極大，動(dòng)力電池制造加工過程要求極高.目前，主流的解決方案是在動(dòng)力電池單體間放置氣凝膠隔熱層緩解或者阻斷熱失控，采用氣凝膠隔熱層去抑制熱失控，可以起到很好的效果，并且技術(shù)難度大大降低，可作為動(dòng)力電池發(fā)展的一個(gè)過渡階段.

動(dòng)力電池的熱管理主要以散熱為主，通過冷卻介質(zhì)將電池?zé)崃繋ё?，散熱技術(shù)根據(jù)冷卻介質(zhì)的種類不同分為液體冷卻、相變材料冷卻與空氣冷卻［32］（見圖7）.關(guān)于隔熱技術(shù)的應(yīng)用與研究較少，但是已有研究表明隔熱對(duì)于抑制動(dòng)力電池?zé)崾Э匾饬x重大.

Hu等［33］通過實(shí)驗(yàn)探究了隔熱與散熱協(xié)同作用下對(duì)于抑制熱失控的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電池單體間和底部放置散熱鋁片可以顯著降低電池發(fā)生熱失控的峰值溫度，熱失控的傳播得到了一定程度延緩，但是無法成功阻斷熱失控.在電池單體間放置氣凝膠隔熱片后，熱失控傳播的平均時(shí)長延長18倍，熱失控平均傳播時(shí)長為15.5 min.Rui等［34］通過實(shí)驗(yàn)與仿真得出了同樣的結(jié)論，在電池底部放置液體冷卻板無法抑制熱失控的蔓延，電池單體的熱通量高達(dá)848.2 W，沒有隔熱層存在，液冷板沒有足夠的時(shí)間將熱量導(dǎo)出，放置隔熱層后，電池的熱通量降為349.3 W，極大程度阻擋了熱量在電池單體間傳播，為液冷板爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間.同時(shí)作者建立了熱失控的臨界條件圖，為電池?zé)岚踩O(shè)計(jì)提供了指導(dǎo).

在電池單體間放置隔熱層（見圖8）對(duì)于阻斷熱失控意義重大，將隔熱技術(shù)與現(xiàn)有散熱技術(shù)結(jié)合是目前抑制動(dòng)力電池?zé)崾Э氐牧己媒鉀Q方案.

氣凝膠由于自身力學(xué)性能較差、脆性大等特點(diǎn)，無法直接應(yīng)用.通常采用與材料復(fù)合的方法提升力學(xué)性能后再進(jìn)行應(yīng)用，氣凝膠纖維氈就是典型的纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料.關(guān)于氣凝膠復(fù)合材料在動(dòng)力電池領(lǐng)域的隔熱應(yīng)用，國內(nèi)外已有學(xué)者開展了相關(guān)研究.

Feng等［35］采用了1 mm厚的石棉纖維作為電池的隔熱層，并且成功阻斷了電池?zé)崾Э氐穆?但是石棉作為致癌物的一類，不利于人體的健康，不適宜用作電池的隔熱層.Yang等［36］發(fā)現(xiàn)無任何保護(hù)裝置的電池平均熱失控傳播時(shí)間間隔為84.6 s，在電池單體間放置1 mm厚的氣凝膠隔熱層后，平均熱失控傳播時(shí)間延長至386 s.Liu等［37］通過研究不同隔熱材料對(duì)于電池?zé)崾Э氐挠绊?，?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放置隔熱層可以阻止電池模塊熱蔓延和降低電池峰值溫度的作用.通過比較電池溫度變化發(fā)現(xiàn)，纖維基材料具有71.83%的降溫效率，氣凝膠材料相比于纖維基材料降溫效率高出13%.Li等［38］通過將二氧化硅納米纖維墊浸漬在二氧化硅溶膠后，作為一種智能防火墻放置在電池單體間，1 mm厚的智能防火墻成功阻斷了50 Ah鋰電池之間的熱失控傳播.

綜上研究表明，氣凝膠復(fù)合材料對(duì)于新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э赜兄芎玫囊种苹蛘咦钄嘧饔茫瑲饽z復(fù)合材料優(yōu)異的隔熱性能，延長了新能源汽車動(dòng)力電池發(fā)生熱失控時(shí)平均傳播時(shí)間，降低了相鄰電池單體的溫度，延長了駕駛?cè)撕统丝吞幚黼U(xiǎn)情與逃生的時(shí)間，對(duì)于保護(hù)新能源汽車駕駛?cè)撕统丝偷娜松碡?cái)產(chǎn)安全具有重大意義.

氣凝膠作為一種超級(jí)隔熱材料，在動(dòng)力電池隔熱方面的應(yīng)用前景廣闊.根據(jù)相關(guān)調(diào)研報(bào)告，預(yù)計(jì)到2025年，全球鋰電池用氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模為35億元.目前，氣凝膠在動(dòng)力電池隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用存在著一定的局限性，應(yīng)用在動(dòng)力電池的氣凝膠材料主要為氣凝膠氈、板與片類，對(duì)于空間緊湊的電池包，在每2個(gè)相鄰電池單體間放置隔熱層，無疑降低了電池的體積利用率.同時(shí)對(duì)于18650等圓柱型電池單體，氈、板與片狀隔熱層包覆性差，發(fā)生熱失控時(shí)，可能會(huì)造成熱量散逸，引發(fā)火災(zāi)事故.未來用在動(dòng)力電池隔熱領(lǐng)域的氣凝膠材料發(fā)展趨勢(shì)將朝著更輕薄、包覆性更好、耐高溫與阻燃的方向發(fā)展.

4結(jié)語

氣凝膠作為一種超級(jí)隔熱材料，有著傳統(tǒng)隔熱材料無法比擬的性能.氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域也較為廣泛，在航空航天、建筑、織物和新興的新能源汽車等領(lǐng)域都有著相關(guān)的應(yīng)用.氣凝膠在應(yīng)用的過程中主要受到成本和技術(shù)2個(gè)方面的限制.成本方面，氣凝膠由于前驅(qū)體原材料價(jià)格居高不下，特別是有機(jī)類前驅(qū)體價(jià)格較為昂貴；技術(shù)方面，氣凝膠的溶膠—凝膠制備過程相對(duì)繁瑣耗時(shí)，以及干燥的條件較為嚴(yán)苛，并且制備出的氣凝膠脆性較大，通常不能直接應(yīng)用，一般會(huì)與其他材料復(fù)合，以氣凝膠復(fù)合材料的方式應(yīng)用.這2個(gè)方面是阻礙氣凝膠發(fā)展的最大因素.隨著氣凝膠前驅(qū)體原材成本的降低，以及生物質(zhì)提取前驅(qū)體的技術(shù)和常壓干燥技術(shù)的發(fā)展，氣凝膠的價(jià)格必將大幅度下降，氣凝膠也會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

［1］陳龍武，甘禮華.氣凝膠 ［J］.化學(xué)通報(bào)，1997，44（8）：22-28.

［2］Hu L，He R，Lei H，et al.Carbon aerogel for insulation applications：a review ［J］.Int J Thermophys，2019，40：1-25.

［3］Kistler S S.Coherent expandedaerogels ［J］.J Phys Chem，2002，36（1）：52-64.

［4］Du A，Zhou B，Zhang Z，et al.A special material or a new state of matter：A review and reconsideration of the aerogel ［J］.Materials，2013，6（3）：941-968.

［5］Zhang Z，Scherer G W.Supercritical drying of cementitious materials ［J］.Cement Concrete Res，2017，99：137-154.

［6］Pierre A C，Pajonk G M.Chemistry of aerogels and their applications ［J］.Chem Rev，2002，102（11）：4243-4266.

［7］馮堅(jiān).氣凝膠高效隔熱材料 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2016.

［8］魏炳波，韓雅芳.氣凝膠 ［M］.北京：中國鐵道出版社，2020.

［9］Li C，Chen Z，Dong W，et al.A review of siliconbased aerogel thermal insulation materials：Performance optimization through composition and microstructure ［J］.J NonCryst Solids，2021，553：120517-1-120517-10.

［10］Dou L，Zhang X，Cheng X，et al.Hierarchical cellular structured ceramic nanofibrous aerogels with temperatureinvariant superelasticity for thermal insulation ［J］.ACS Appl Mater Int，2019，11（32）：29056-29064.

［11］Wang Y，Su Y，Wang W，et al.The advances of polysaccharidebased aerogels：Preparation and potential application ［J］.Carbohydr Polym，2019，226：115242-1-115242-13.

［12］Ahankari S，Paliwal P，Subhedar A，et al.Recent developments in nanocellulosebased aerogels in thermal applications：A review ［J］.ACS Nano，2021，15（3）：3849-3874.

［13］MazroueiSebdani Z，Naeimirad M，Peterek S，et al.Multiple assembly strategies for silica aerogelfiber combinationsA review ［J］.Mater Design，2022，223：111228-1-111228-32.

［14］Du A，Zhou B，Zhang Z，et al.A special material or a new state of matter：A review and reconsideration of the aerogel ［J］.Materials （Basel），2013，6（3）：941-968.

［15］Guo J，Tang G.A theoretical model for gascontributed thermal conductivity in nanoporous aerogels ［J］.Int J Heat Mass Tran，2019，137：64-73.

［16］Fu Z，Corker J，Papathanasiou T，et al.Critical review on the thermal conductivity modelling of silica aerogel composites ［J］.J Build Eng，2022，57：104814-1-104814-9.

［17］Yan X，Liu C，Gadre C A，et al.Singledefect phonons imaged by electron microscopy ［J］.Nature，2021，589（7840）：65-69.

［18］He Y L，Xie T.Advances of thermal conductivity models of nanoscale silica aerogel insulation material ［J］.Appl Therm Eng，2015，81：28-50.

［19］Schultz J M，Jensen K I，Kristiansen F H.Super insulating aerogel glazing ［J］.Sol Energ Mat Sol Cells，2005，89（2/3）：275-285.

［20］Reim M，Beck A，Krner W，et al.Highly insulating aerogel glazing for solar energy usage ［J］.Sol Energy，2002，72（1）：21-29.

［21］Reim M，Reichenauer G，Krner W，et al.Silicaaerogel granulatestructural，optical and thermal properties ［J］.J NonCryst Solids，2004，350：358-363.

［22］Reim M，Krner W，Manara J，et al.Silica aerogel granulate material for thermal insulation and daylighting ［J］.Sol Energy，2005，79（2）：131-139.

［23］Jensen K I，Schultz J M，Kristiansen F H.Development of windows based on highly insulating aerogel glazings ［J］.J NonCryst Solids，2004，350：351-357.

［24］Cuce E，Cuce P M，Wood C J，et al.Toward aerogel based thermal superinsulation in buildings：A comprehensive review ［J］.Renew Sust Energ Rev，2014，34：273-299.

［25］Baetens R，Jelle B P，Gustavsen A.Aerogel insulation for building applications：A stateofart review［J］.Energ Buildings，2011，43（4）：1030-1037.

［26］Peng L，Su B，Yu A，et al.Review of clothing for thermal management with advanced materials ［J］.Cellulose，2019，26（11）：6415-6448.

［27］Jin L，Hong K，Yoon K.Effect of aerogel on thermal protective performance of firefighter clothing ［J］.J Fiber Bio Inform，2013，6（3）：315-324.

［28］高珊，盧業(yè)虎，王來力，等.氣凝膠在防護(hù)服中的應(yīng)用進(jìn)展 ［J］.絲綢，2019，56（4）：44-49.

［29］Feng X，Ren D，He X，et al.Mitigating thermal runaway of lithiumion batteries ［J］.Joule，2020，4（4）：743-770.

［30］Feng X，Zheng S，Ren D，et al.Investigating the thermal runaway mechanisms of lithiumion batteries based on thermal analysis database ［J］.Appl Energ，2019，246：53-64.

［31］Feng X，Ouyang M，Liu X，et al.Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles：A review ［J］.Energy Storage Mater，2018，10：246-267.

［32］郭豪文.純電動(dòng)汽車浸沒式液體冷卻電池包的模擬與實(shí)驗(yàn)研究 ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2022.

［33］Hu Y，Lan F，Chen J，et al.Effectiveness of geat insulation and heat dissipation for mitigating thermal runaway propagation in lithiumion battery module［C］//proceedings of the 5th International Conference on Energy，Electrical and Power Engineering （CEEPE），2022.Nanjing，China：IEEE，2022.

［34］Rui X，F(xiàn)eng X，Wang H，et al.Synergistic effect of insulation and liquid cooling on mitigating the thermal runaway propagation in lithiumion battery module ［J］.Appl Therm Eng，2021，199：117521-1-117521-12.

［35］Feng X，He X，Ouyang M，et al.Thermal runaway propagation model for designing a safer battery pack with 25 Ah LiNixCoyMnzO2 large format lithium ion battery ［J］.Appl Energ，2015，154：74-91.

［36］Yang X，Duan Y，F(xiàn)eng X，et al.An experimental study on preventing thermal runaway propagation in lithiumion battery module using aerogel and liquid cooling plate together ［J］.Fire Technol，2020，56（6）：2579-2602.

［37］Liu F，Wang J，Yang N，et al.Experimental study on the alleviation of thermal runaway propagation from an overcharged lithiumion battery module using different thermal insulation layers ［J］.Energy，2022，257：124768-1-124768-9.

［38］Li L，Xu C，Chang R，et al.Thermalresponsive，superstrong，ultrathin firewalls for quenching thermal runaway in highenergy battery modules ［J］.Energy Storage Mater，2021，40：329-336.

（實(shí)習(xí)編輯：羅媛）