南工大團隊首創耐1200℃的電芯間隔熱“防火墻”
來源：科技日報 時間：2023-08-21 16:14
8月南京驕陽似火，但也難抑南京工業大學沈曉冬教授團隊的科研熱情。大家扎在實驗室里、盯在生產線上，專注一種新材料，希望能讓其以更輕薄的“身材”、更低的成本，在耐受更高溫度的同時又能絕熱，讓動力電池和儲能電池更安全，讓未來的建筑更節能，為航空航天事業提供性能更穩定的材料。
前不久，團隊研發的耐1200℃高溫氧化硅氣凝膠材料還獲得了1億元的融資并成功量產。
這是對沈曉冬團隊20年不懈攻關的犒賞。
此前，該團隊首創并量產的耐1200℃高溫氧化硅氣凝膠材料，成功應用于鋰離子動力電池芯組間的隔熱，為芯組筑起一道高性能“防火墻”。
跨界：從水泥到氣凝膠的完美轉身
氣凝膠是一種三維納米網絡結構的納米材料，具有低密度、高比表面積和低熱導率等優異性能。自20世紀30年代材料誕生之日起，氣凝膠便是明星材料，20世紀90年代起更享有“十大新材料之首”美譽。
2000年起，“專情”于水泥研究的沈曉冬，被氣凝膠的多項優異性能吸引，開始研究同屬硅酸鹽材料的氧化硅氣凝膠。
研究團隊最初采取的是將正硅酸四乙酯放入溶液中攪拌水解成的氧化硅水合粒子，使其在靜電作用簇擁下凝膠。
“但氣凝膠單體太過脆弱，無法獨當一面，必須借助基材的結構強度?！眻F隊成員孔勇副教授補充道。
如何提高氧化硅氣凝膠材料高溫結構穩定性，沈曉冬教授提出了提高氣凝膠骨架強度、用陶瓷纖維作為基材等新創意，但填充氣凝膠納米空隙的液體露出了短板。
實驗表明，納米孔隙中飽含的液體在分離時會產生巨大張力，而這會讓網狀結構面臨崩塌的風險。
“就好像濕了的衣服晾干容易起皺褶、變形。”沈曉冬教授形象地介紹說，潮濕的衣服表面的水自帶張力，衣服干燥脫水后，由于表面張力而使衣服收縮。
解鎖：超臨界態二氧化碳驅逐酒精
如何有效地保護氣凝膠內部薄如蟬翼的網狀結構？用氣體填充，成為一個大膽的設想。
沈曉冬介紹，空氣是熱的不良導體，而氣凝膠中的空氣被網格絆住了“腳”，無法流動，因此熱導率較之空氣更低，成了隔熱“明星”。
干燥釜內的二氧化碳在特定溫度和壓力即超臨界狀態下會同時擁有液態和氣態特征，氣液界面消失沒有表面張力。
于是，研究團隊利用這一特點，在超臨界狀態下“秒”抽酒精，由空氣代替酒精入駐孔隙，保護凝膠的網狀結構。
“我們在動力電池每兩個電芯組之間放入研發的氣凝膠材料，并通過引爆其中一塊電芯，來考驗在氣凝膠保護下的其余四塊測試電芯，能否抵御高溫失控的危險。”團隊成員仲亞副教授開心地介紹說，經過多次試驗，他們發現電芯被引爆后高達1200℃的火焰沒有突破氣凝膠所筑就的“防火墻”，禍及其他電芯。
氣凝膠材料作為綠色環保新型材料可廣泛應用于石油化工、電力工業、井下作業、城鎮熱管和建筑節能等廣闊領域，深受市場歡迎。
沈曉冬教授介紹，隨著基礎研究的不斷深入，氣凝膠已從最初的氧化硅氣凝膠發展成為涵蓋眾多無機、高分子、金屬氣凝膠家族。隨著動力電池和儲能電池對安全性要求不斷提升，氣凝膠材料也蘊含巨大的社會經濟效益。（金鳳 楊芳）
責任編輯：楊娜
