锂离子HAWKER蓄电池中使用气凝胶的研究进展

近年来，随着清洁能源车辆（即电动汽车和混合动力车）和电化学储能站的快速发展，安全事故显著增加。然而，过热、过充、机械虐待、短路等滥用条件可能导致锂离子电池（LIB）热失控。严重的热失控可能导致电池起火甚至爆炸，威胁人员安全。在锂离子电池模块电池单元间的热绝缘层上施用少量气凝胶，可以增强电池安全性。在众多气凝胶中，氧化物气凝体表现出优异的绝缘性和耐高温能力。因此，气凝胶，尤其是氧化物气凝胶，引起了广泛的研究关注。本文介绍了LIB热失控的机制，并系统回顾了几种重要的氧化物气凝胶及其衍生复合物，特别是基于SiO的产品₂，阿尔₂O₃，以及ZrO₂气凝胶。 讨论了这些气凝胶的机械强度和高温耐受性。还详细研究了气凝胶在锂离子体内的应用，其综合效应源于气凝胶材料的引入。此外，还提出了气凝团热绝缘层的热防护安全策略。据说这篇综述有助于读者加深对该领域的理解。

在中央和地方政府推动消费的政策下，以及企业引入新型车辆的推动力，汽车的生产和销售显著增长（见图1（a））（Chen 等，2019;Williams等，2023;Brumerčíková 等，2024年）。“双碳”目标和二十大报告为新能源电动汽车的发展奠定了基础，既促进节能和环保，也减少碳排放（龚和汉森，2023）。动力电池是新能源汽车的重要组成部分，在其使用寿命和安全表现中发挥着重要作用。优化电池性能并提升产品质量对于促进新能源车的广泛开发至关重要（Li 等，2017;Fan 等，2023）。
锂离子电池因其高能量密度、高输出功率、长周期寿命、无记忆效应、低自放电率及宽工作温度范围而在电力电池市场中日益流行。然而，尽管有这些优势，锂离子电池也存在缺点，包括易过充和放电、老化以及对热敏感。过载、过热、接触水或不当储存和使用可能导致锂离子电池膨胀甚至爆炸（Bülow等，2023;Chavan 等，2023;Li 等，2024b）。最新关于电动汽车事故的统计数据显示，大量事故与“自燃”有关，这可能发生在静止停车、驾驶和充电过程中（Hong 等，2022）。其他原因包括外部热源、控制电路故障和碰撞（Cui 等，2022）。表1展示了2023年新能源车辆自燃事故的例子，图1（b）则提供了这些事故的视觉表现。
从事故统计数据来看，电动电池安全性的提升对电动汽车的发展至关重要。本地和全球政府都提高了电池使用标准，地方法规重点关注电动汽车中储能电池的安全要求，特别强调电动汽车的技术要求（Jaguemont 和 Bardé，2023）。电池生产公司被敦促加快电芯的开发力度，以提升其本质安全性。此外，建议汽车制造商在电池系统设计过程中结合热绝缘和先进技术。这将有助于有效管理和减少热量扩散（Manzetti 和 Mariasiu，2015）。为了确保安全，充电和旅行期间必须实施强有力的监控和预警系统。该系统应能够及时识别并控制潜在火灾风险（Zhang 等，2021）。在电力电池系统中，锂离子电池通常以模块化且密集的方式排列。当一个单元发生热失控时，可能会在相邻单元内引发多米诺效应，导致热失控传播。为解决这一问题，关键方法是通过热保护机制隔离电池热失控后的热扩散（Huang 等，2021a;Wang 等，2024）。锂离子电池组在运行时存在安全隐患。外国媒体最近报道，卡博特推出了一种气凝胶颗粒，用于电动汽车锂离子电池的热屏蔽，解决了轻质热保护问题。别克E5型号发布时经过改进以降低火灾风险，利用纳米级气凝胶作为热绝缘体，以抵抗电池短路引起的热失控，从而提升整体电池安全性（Zhang 等，2022）。
气凝胶被称为世界上最轻的固体和“冻烟”，已经开发了近90年。最初，由于其低密度和优异的隔热性能，其应用仅限于航空航天行业中成本高的应用。然而，随着新能源车行业的扩展，气凝胶现已被用于锂离子电池的电池绝缘材料。通过该应用，观察到气凝胶可以提升锂离子电池的安全性（Sun 等，2024）。本研究论文对锂离子电池中气凝胶的应用进行了全面考察。内容涵盖多个主题，如锂离子电池的内部结构、其工作原理、热失控的机制与扩散、热防护策略、流行的气凝胶绝缘材料、性能差异，以及当前利用气凝胶绝缘材料阻止锂电池热失控进展的研究。