Применение предварительно окисленного волокнистого аэрогелевого войлока в автомобильных аккумуляторах на новых источниках энергии

В условиях быстрого роста индустрии транспортных средств на новой энергии (NEV) безопасность, легкая конструкция и адаптируемость аккумуляторных батарей к экстремальным условиям окружающей среды стали основными требованиями для модернизации промышленности.В области инновационных материалов для аккумуляторов аэрогелевые войлоки из предварительно окисленных волокон, которые сочетают в себе устойчивость к высоким температурам и огнестойкость предварительно окисленных волокон с превосходными теплоизоляционными свойствами аэрогелей, достигают синергетического эффекта («1+1>2»).Этот композитный материал преодолевает ограничения производительности традиционных материалов для защиты аккумуляторов, предлагая незаменимую ценность в таких важных областях, как управление температурой аккумуляторной батареи и защита безопасности.В этой статье исследуются основные композиционные характеристики аэрогелевых войлоков с предварительно окисленным волокном, анализируются их конкретные применения и технические преимущества в аккумуляторных блоках NEV, а также дается взгляд на их будущее развитие.

I. Основные композиционные характеристики предварительно окисленного волокнистого аэрогелевого войлока: соответствие основным требованиям к силовым батареям

Предварительно окисленный волокнистый аэрогелевый войлокпредставляет собой гибкий теплоизоляционный материал, состоящий изпредварительно окисленные волокнаиаэрогель.Предварительно окисленные волокна служат каркасом, обеспечивая структурную поддержку и основу для огнестойкости, а аэрогель действует как основная изолирующая среда, обеспечивая исключительные теплоизоляционные характеристики.Результатом синергии этих двух компонентов является набор основных характеристик, хорошо подходящих для условий эксплуатации аккумуляторных батарей.Во-первых, он обеспечивает исключительные теплоизоляционные характеристики.Теплопроводность аэрогелевого войлока с предварительно окисленным волокном может составлять всего 0,018–0,024 Вт/(м·К), что намного превосходит традиционные изоляционные материалы, такие как стекловата или минеральная вата, что обеспечивает высокоэффективное термическое сопротивление даже при очень тонком профиле.Во-вторых, он обеспечивает выдающуюся устойчивость к высоким температурам и огнестойкость.Используя свойства предварительно окисленных волокон, которые могут выдерживать длительное воздействие температур 250–300 °C, не плавясь и не капая, в сочетании с изначально неорганической, термостойкой природой аэрогелей, этот композитный материал сохраняет свою структурную целостность в средах до 800 °C.Благодаря кислородному индексу, превышающему 45%, он классифицируется как негорючий материал, полностью отвечающий критическим требованиям по защите от термического разгона в силовых батареях.В-третьих, он предлагает значительные преимущества в легком весе;Имея плотность всего 0,12–0,18 г/см³, что намного ниже, чем у традиционных защитных материалов, таких как металлы или керамика, он помогает существенно снизить вес аккумуляторной батареи, тем самым увеличивая запас хода автомобиля.В-четвертых, он демонстрирует превосходную гибкость и адаптируемость к процессам.Его можно разрезать и согнуть для размещения сложных конструкций аккумуляторных блоков, он легко помещается в нестандартные пространства, такие как внутренние поверхности корпуса или зазоры между модулями.Кроме того, он обладает превосходной стойкостью к химической коррозии, защищая от повреждений из-за потенциальных утечек электролита и обеспечивая долгосрочную эксплуатационную стабильность.

II.Конкретные сценарии применения предварительно окисленного волокнистого аэрогелевого войлока в автомобильных аккумуляторах на новых источниках энергии

(I) Слой защиты от перегрева ядра аккумуляторных блоков: критический барьер против распространения тепла

Термический разгон представляет собой наиболее серьезную угрозу безопасности для силовых батарей.Когда аккумулятор испытывает резкий скачок температуры, вызванный такими проблемами, как перезарядка, короткое замыкание или физическое воздействие, он может инициировать цепную реакцию, включая разложение электролита и деинтеркаляцию ионов лития с катода.Этот процесс выделяет огромное количество тепла (мгновенная температура может превышать 600°C) вместе с токсичными газами, что создает высокий риск возгорания или взрыва.Обладая исключительной теплоизоляцией и устойчивостью к высоким температурам, предварительно окисленный волокнистый аэрогелевый войлок служит важным защитным материалом для предотвращения распространения тепла.В основном он используется для огнестойких барьеров между аккумуляторными модулями, изоляционных слоев внутри корпусов аккумуляторных батарей и защитной защиты вокруг взрывозащищенных клапанов.При размещении между аккумуляторными модулями (толщиной всего 3–5 мм) этот материал эффективно блокирует интенсивное тепло, выделяемое модулем, испытывающим тепловой разгон, снижая теплопередачу более чем на 80%.Это предотвращает быстрое распространение огня на соседние модули, выигрывая драгоценное время для эвакуации пассажиров автомобиля, для системы управления батареями (BMS) для подачи предупреждений и для принятия мер по аварийному охлаждению.Облицовка внутренней части корпуса аккумуляторной батареи этим материалом помогает смягчить влияние низких внешних температур на работу аккумулятора зимой (тем самым увеличивая запас хода в холодную погоду), а также удерживает внутреннее тепло во время перегрева, предотвращая деформацию или возгорание металлического кузова автомобиля.Кроме того, нанесение этого материала вокруг взрывозащищенных клапанов помогает сдерживать высокотемпературное пламя и токсичные газы, когда клапаны открываются для сброса давления, снижая риск повреждения других компонентов автомобиля и нанесения вреда пассажирам, что в конечном итоге повышает общую безопасность аккумуляторной батареи.

(II) Вспомогательная теплоизоляция для систем терморегулирования аккумуляторных батарей: повышение эффективности и диапазона регулирования температуры

Производительность и срок службы аккумуляторов во многом зависят от стабильной рабочей температуры (в идеале от 25°C до 40°C).Воздействие сильной жары летом или сильного холода зимой может привести к снижению емкости аккумулятора, уменьшению запаса хода и увеличению энергопотребления.Благодаря своим превосходным теплоизоляционным свойствам аэрогелевый войлок из предварительно окисленного волокна может выступать в качестве вспомогательного изоляционного материала в системе терморегулирования аккумуляторной батареи, например, обертывая теплообменные каналы HVAC или обеспечивая изоляцию нижней и боковых стенок аккумуляторной батареи.Летом нанесение предварительно окисленного волокнистого аэрогеля на боковые стенки и основание аккумуляторной батареи эффективно блокирует попадание в аккумулятор внешнего тепла — будь то солнечное излучение или проводимость от дорожного покрытия.Это снижает нагрузку на систему кондиционирования воздуха, тем самым экономя энергию аккумулятора, которая в противном случае расходовалась бы на регулирование температуры.Зимой материалом можно обернуть теплообменные трубки аккумуляторной батареи, минимизируя потери тепла с охлаждающей жидкостью.Это повышает эффективность обогрева нагревателя PTC (положительный температурный коэффициент), сокращает время, необходимое для предварительного нагрева батареи, и уменьшает собственные теплопотери батареи, помогая поддерживать активность батареи в условиях низких температур.Экспериментальные данные показывают, что реализация комплексной теплоизоляции аккумуляторных блоков с использованием аэрогелевого войлока из предварительно окисленного волокна может увеличить запас хода транспортного средства на 10–15 % в холодных условиях (-20 ° C) и на 5–8 % в условиях высоких температур (выше 35 ° C).

(III) Теплоизоляция и электрическая изоляция высоковольтных жгутов и выводов аккумуляторной батареи: снижение риска локального перегрева

В аккумуляторных блоках транспортных средств на новых источниках энергии такие компоненты, как высоковольтные жгуты и клеммы аккумуляторной батареи, могут генерировать локальное тепло во время зарядки и разрядки под высокой нагрузкой.Кроме того, существует риск того, что повреждение изоляции может привести к короткому замыканию.Аэрогелевый войлок из предварительно окисленного волокна, который обеспечивает теплоизоляцию, электроизоляцию и огнезащитные свойства, можно перерабатывать в тонкие листы или рукава, что делает его пригодным для обертывания высоковольтных жгутов и защиты оснований выводов аккумуляторной батареи.Заключение жгутов проводов высокого напряжения в фетровые втулки из предварительно окисленного волокна из аэрогеля не только предотвращает распространение тепла, образующегося во время работы, на соседние элементы батареи, тем самым избегая локализованных высоких температур, которые могут ухудшить производительность батареи, но также служит превосходной альтернативой традиционной изоляции из ПВХ.Это улучшает как электрическую изоляцию, так и устойчивость жгутов к высоким температурам, снижая риск повреждения изоляции, вызванный старением или воздействием чрезмерного тепла.Кроме того, нанесение тонкого слоя предварительно окисленного волокнистого аэрогелевого фетра у основания вкладок аккумулятора обеспечивает изоляцию от металлических компонентов, таких как кронштейны модулей.Это предотвращает короткие замыкания, возникающие в результате износа, вызванного вибрацией, и одновременно блокирует передачу тепла от элементов батареи к контактам выводов, предотвращая увеличение контактного сопротивления из-за высокотемпературного окисления и обеспечивая стабильную зарядку и разрядку батареи.

(IV) Защита аккумуляторной батареи для особых сценариев: адаптация к экстремальным условиям

Для транспортных средств на новых источниках энергии, работающих в экстремальных условиях, таких как пустынные регионы с высокими температурами, холодный климат или горнодобывающие предприятия, к аккумуляторным блокам предъявляются значительно более строгие требования к защите.Способность предварительно окисленного волокнистого аэрогелевого войлока выдерживать экстремальные условия делает его хорошо подходящим для этих специализированных применений.В пустынных регионах с высокими температурами установка утолщенного слоя предварительно окисленного волокнистого аэрогелевого войлока поверх аккумуляторного блока повышает теплоизоляцию от прямых солнечных лучей, предотвращая повышение внутренней температуры выше 60°C.В холодных регионах помещение всего аккумуляторного блока в этот материал создает эффективный тепловой барьер, который сводит к минимуму потери тепла и работает в тандеме с системой управления температурным режимом для поддержания постоянной температуры аккумулятора.Для транспортных средств, используемых в горнодобывающей промышленности или строительстве, где столкновения более вероятны, нанесение предварительно окисленного волокнистого аэрогеля на нижнюю и переднюю часть аккумуляторной батареи обеспечивает амортизирующий эффект при незначительных ударах.Кроме того, в случае, если столкновение приводит к локальному перегреву, материал действует как быстрый барьер, сдерживающий распространение тепла, тем самым снижая риски для безопасности.

III.Проблемы применения и направления дальнейшего развития

Хотя аэрогелевые войлоки с предварительно окисленным волокном предлагают значительные преимущества для аккумуляторов в транспортных средствах на новых источниках энергии (NEV), в отношении их применения остается ряд проблем.Во-первых, производственные затраты высоки;сложный процесс производства аэрогелей приводит к тому, что цены намного превышают цены на традиционные теплоизоляционные материалы, что ограничивает их широкомасштабное внедрение в моделях автомобилей начального и среднего класса.Во-вторых, требует улучшения стабильность посадки материала при длительной вибрации — условии, свойственном эксплуатации автомобиля.Постоянная вибрация может привести к образованию зазоров между материалом и корпусом или модулями аккумуляторной батареи, что ухудшает теплоизоляционные характеристики.

Заглядывая в будущее, по мере развития процессов производства аэрогелей (например, благодаря широкому внедрению технологии сушки при атмосферном давлении) и масштабирования производства ожидается, что стоимость предварительно окисленных волокон аэрогелевых войлоков снизится, что потенциально позволит использовать их во всех сегментах транспортных средств.Кроме того, разработка передовых технологий соединения композитов может улучшить адгезию материала к конструкциям аккумуляторных батарей, обеспечивая большую надежность при длительном использовании.Кроме того, в соответствии с отраслевой тенденцией к «легким и интегрированным» конструкциям NEV, аэрогелевые войлоки с предварительно окисленным волокном могут быть объединены с материалами корпуса аккумуляторной батареи для создания интегрированных решений, которые обеспечивают как теплоизоляцию, так и структурную поддержку.Это еще больше уменьшит вес аккумуляторной батареи и увеличит плотность энергии.По мере того, как технологические прорывы продолжаются, аэрогелевые войлоки с предварительно окисленным волокном могут стать основным материалом для обеспечения безопасности и управления температурным режимом в силовых батареях NEV, обеспечивая надежную поддержку высококачественному развитию отрасли.