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，年复合增长率为23%。
到2030年，预计全球销售的所有新车中有35%将是电池电动汽车（BEV）。与此同时，严格的全球安全法规正在推动电动汽车中使用的锂离子电池采用隔热屏障。
这些措施旨在减轻电动汽车电池罕见但危险的热失控事件引起的火灾风险。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）引起的机械故障引发。
这些热事件对乘客和财产构成危险，并可能导致汽车原始设备制造商（OEM）进行昂贵的车辆召回。全球安全法规规定，在发生热失控事件时，“乘客至少有5分钟的时间离开车辆”（即UN ECE GTR 20 EVS）。
这些热事件对乘客和财产构成危险，并可能导致汽车原始设备制造商（OEM）进行昂贵的车辆召回。全球安全法规规定，在发生热失控事件时，“乘客至少有5分钟的时间离开车辆”（即UN ECE GTR 20 EVS）。
随着电动汽车市场的不断增长，电动汽车电池组中使用的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，预计在BEV内的电池级和封装级均采用气凝胶（图1） 。
图1：蓄电池电动汽车的防火材料
迄今为止，气凝胶已被用于袋状和方形电池类型，并用于两种锂离子电池阴极化学品：1）镍钴铝/锰（NCx）；和2）磷酸铁锂（LFP）。圆柱形电池类型目前使用泡沫和灌封剂进行热管理。小袋和棱柱型电池应用的热障通常基于气凝胶的隔热功能，通过将压缩泡沫和云母等辅助材料结合在一起来防止电弧放电。
此外，这种电池驱动的气凝胶的需求电动汽车应用预计将从2023年的约2亿美元增长到2034年的18亿美元。三分之二的气凝胶需求将用于电池单元之间的隔热层，三分之一将在包级别使用。通常，最薄的热障（1mm-2mm）用于电池单元之间，因为这是最受空间限制的子应用，而较厚的热障（3mm-5mm）用于电池组级别，因为这是电池组和客舱之间的最后一道防火线。
在电动汽车中，许多电池单元紧密堆叠在一起，因此如果一个电池单元进入热失控，它可能级联到相邻的电池单元，除非使用足够的隔热材料。绿色的无源热屏障（ 图 2 ）被放置在电池单元之间、电池模块中以及电池组水平上，以抑制和减缓热传播。
卡博特公司通过供应 ENTERA™ 气凝胶粒子参与电动汽车热管理价值链（ 图 3 ）。卡博特生产和销售气凝胶颗粒下游配方开发热障这种应用。
ENTERA气凝胶在最终热障中提供了有利的绝缘性能。配方师可将气凝胶颗粒与诸如玻璃纤维、陶瓷纤维、粘合剂和其它加工助剂的材料组合，以例如制造气凝胶垫和毯。然后，这些垫片可以与泡沫和云母等辅助材料结合，制成最终的热障，然后出售给汽车原始设备制造商和电池供应商。热障的购买决定是由设计电池组的实体做出的。
卡博特ENTERA™气凝胶颗粒-减少电动汽车的热失控风险
ENTERA气凝胶颗粒能够制造用于电池电动车的高绝缘、不可燃、薄热障。气凝胶由90%以上的空气组成，是地球上最好的绝缘体之一。Cabot制造了一种独特形式的二氧化硅气凝胶-ENTERA颗粒，其直径在0.1mm-1.2mm范围内，具有纳米尺寸的孔，通过低热导率（ 图4 )。由于气凝胶颗粒的高度多孔形态，单个含热气体分子之间的相互作用被延迟，极大地减少了通过含有它们的材料的热传递。
ENTERA气凝胶颗粒具有极大的配方灵活性，可用于多种类型的热障，包括毯、垫、片、膜、泡沫和涂层。ENTERA气凝胶具有几个属性，使突破性的性能：1）极低的导热性；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）低粉尘的可能性。
ENTERA气凝胶在空间受限的应用中提供卓越的绝缘性能，能够优化电池组空间以容纳更多电池，从而延长行驶里程，这是电动车买家的一个关键因素。导热系数越低，通过材料传递的热量就越少。鉴于其极低的导热性，ENTERA气凝胶能够以尽可能薄的形式完成所需的工作（ 图5 ).
该柱状图预测了三种不同材料实现相同隔热所需的厚度。与陶瓷纸相比，气凝胶可将所需的热障厚度减少两倍，与硅树脂泡沫相比，可减少三倍。
此外，ENTERA气凝胶具有优异的热稳定性，即使在温度达到热失控。Cabot测试表明，ENTERA气凝胶在暴露于高达1000°C的温度下30分钟后仍保持其非常低的热导率（≤25 mW/m-K）。此外，ENTERA气凝胶相对于其他常用的电动汽车防火材料（ 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行驶里程，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组外壳内部的阻燃涂层的性能。在2mm~5mm的厚度范围内，喷淋气凝胶涂层的绝缘性比陶瓷涂层高60%~70%。
卡博特ENTERA™ 气凝胶热障-降低电池电动汽车的热失控风险
ENTERA气凝胶是一种优异的隔热添加剂，用于电池电动车的热障，以最大限度地减少热失控风险。卡博特已经用ENTERA气凝胶开发了气凝胶垫原型，以证明我们的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配制。卡伯特没有出售原型垫。该颗粒能够生产具有良好厚度均匀性的薄焊盘（1mm-2mm或更大）。该垫片还提供了优异的隔热性能，在室温下的热导率小于25 mW/m-K，不易燃，并通过了UL94 V0测试。
更重要的是，Cabot进行了“冷热板”测试，该测试通常被电池供应商和原始设备制造商使用，它确认了用ENTERA气凝胶颗粒配制的绝缘垫可以抑制EV电池中的热传播的水平。热-冷板试验系统用于模拟热失控条件，其中热板模拟热失控触发单元，冷板作为正常单元。将气凝胶垫插入热板和冷板之间以减少热传播（ 图7 )。热电偶连接到板的热侧和冷侧，与气凝胶垫接触，并将50p si的压力施加到热板和冷板之间的垫上。将热板从室温加热到650°C，记录10分钟的温度。
该性能测试表明，与相同厚度但不含气凝胶的玻璃或陶瓷纤维垫相比，包含 ENTERA 气凝胶的垫可将隔热性能提高 100°C。热侧和冷侧之间的温差 (Delta-T) 至关重要，因为它是衡量从热失控触发单元到相邻单元的热传播（热传递）阻力水平的指标。
Delta-T 可能意味着热失控事件可以被控制在一个电池中，从而最大限度地减少热失控在整个电池组中传播的可能性，最终可以为乘客提供足够的时间离开车辆。锂离子电池热失控起始温度和峰值温度因阴极化学物质（例如 NCx、LFP）而异，并且ENTERA 气凝胶垫可以制成各种厚度，以提供必要的绝缘，以满足电动汽车电池的各种要求。
Delta-T 可能意味着热失控事件可以被控制在一个电池中，从而最大限度地减少热失控在整个电池组中传播的可能性，最终可以为乘客提供足够的时间离开车辆。锂离子电池热失控起始温度和峰值温度因阴极化学物质（例如 NCx、LFP）而异，并且ENTERA 气凝胶垫可以制成各种厚度，以提供必要的绝缘，以满足电动汽车电池的各种要求。
此外，卡博特的由 ENTERA 气凝胶制成的原型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，而不会破裂（图 8 ）。
即使使用 40% 质量的气凝胶颗粒，原型垫仍保持非常高的拉伸强度。除了组装过程中的高强度要求外，插入电池之间的气凝胶垫还必须具有良好的弹性，因为电池在充电/放电循环期间会膨胀和收缩。在循环压缩测试（0-50% 压缩）中，含有 ENTERA 气凝胶颗粒的护垫在循环过程中表现出出色的弹性。
最后，卡博特证明了 ENTERA™ 气凝胶隔热垫与通常纳入最终热障的粘合剂和补充材料兼容。这可以包括泡沫压缩垫以及云母片以防止电弧，从而能够制造具有附加功能的多层热障结构。
卡博特于 2023 年推出了用于电动汽车的 ENTERA 气凝胶，重点是提供配方灵活性并为电池电动汽车提供绝缘性能。ENTERA气凝胶产品组合由三款产品组成：EV5200、EV5400和EV5800（图9）。
对于开发毯子、垫子、片材、薄膜和泡沫的配方设计师来说，ENTERA EV5200 气凝胶非常适合。如果在分散 EV5200 时遇到挑战，ENTERA EV5400 气凝胶是一种替代选择。对于开发可喷涂阻燃涂层或非常薄的绝缘层的客户来说，ENTERA EV5800 因其粒径小且粒径分布窄而非常适合。
严格的全球安全法规正在推动电动汽车电池组采用热障，确保乘客在发生热失控（可能导致火灾）时能够安全地离开车辆。气凝胶是地球上最好的绝缘材料之一，使其成为电动汽车电池组等空间受限应用的理想解决方案。
卡博特的 ENTERA™ 气凝胶颗粒具有出色的配方灵活性，可以使用不同的制造方法融入各种产品形式。此外，ENTERA 颗粒气凝胶垫已被证明可以满足严格的电动汽车电池要求，以降低热失控的风险。卡博特提供三种 ENTERA™ 气凝胶颗粒产品，以满足配方设计师开发电池电动汽车隔热层的需求。
来源：Batteriesi News
https://batteriesnews.com/cabot-entera-aerogel-thermal-runaway-risk-in-battery-electric-vehicles/
原文始发于微信公众号（艾邦气凝胶论坛）：卡博特ENTERA TM 气凝胶：降低电池电动汽车的热失控风险
