摘要：作为新兴材料的气凝胶，最近几年在汽车行业得到广泛认可，已经成为批量使用的标准材料。尤其在锂电池上起到重要作用。凝胶在锂电池包中发挥重要作用的核心原因在于其独特的物理化学特性与锂电池工作环境及安全需求的深度匹配。以下从多个维度详细解析其作用机制及实际应用价值：
作为新兴材料的气凝胶，最近几年在汽车行业得到广泛认可，已经成为批量使用的标准材料。尤其在锂电池上起到重要作用。凝胶在锂电池包中发挥重要作用的核心原因在于其独特的物理化学特性与锂电池工作环境及安全需求的深度匹配。以下从多个维度详细解析其作用机制及实际应用价值：
一、气凝胶的物理化学特性与锂电池需求的契合性
气凝胶的导热系数仅为 0.013-0.025 W/(m·K) ，是传统隔热材料（如玻璃纤维、聚氨酯）的1/5-1/3。这种特性使其在锂电池热管理中可阻断电芯间热失控传播。实验数据显示，在电芯间设置1cm气凝胶隔热层，可使相邻电芯的温度上升延迟200秒以上，为热失控防护争取关键时间。
轻量化与空间效率
气凝胶密度低至0.16 mg/cm³（全碳气凝胶），且同等隔热效果下厚度仅为传统材料的1/5-1/3（如Aspen气凝胶隔热片厚度仅2-3mm）。这使得电池包能量密度可提升5%-10%，直接延长电动汽车续航里程。
阻燃与热稳定性
二氧化硅气凝胶可耐受800℃以上高温，且在高温下不发生分解或燃烧，有效阻止火焰蔓延。相比之下，传统聚氨酯材料在140℃即会燃烧。这种特性在锂电池短路或热失控时尤为重要。
低温保温性能
在-20℃环境中，气凝胶可减少电池包热量损失70%以上，维持电芯工作温度在0℃以上，避免磷酸铁锂电池因低温导致的容量衰减（低温下容量可能下降至常温的50%）。
二、气凝胶在锂电池包中的具体应用场景
（一）热失控防护
电芯间隔热层
在电芯间布置气凝胶隔热片（如SiO₂气凝胶毡），可将热失控传播速度降低80%，且能承受瞬间高温冲击（如短路时局部温度可达800℃）。例如，特斯拉电池组通过气凝胶隔离设计，将热失控扩散时间从数秒延长至数十分钟。
模组与箱体防护
在电池模组与箱体之间设置气凝胶防火毯，可阻隔外部火源并延缓内部高温传导至乘客舱。实验表明，采用气凝胶防护的电池包在外部火焰灼烧下，内部温度上升速率降低60%。
（二）结构优化与性能提升
减重增效
气凝胶替代传统云母板或泡棉后，电池包隔热层重量减少40%-60%，同时节省空间用于增加电芯数量。以某款100kWh电池包为例，使用气凝胶后整体质量下降15kg，等效增加续航里程约20km。
抑制锂枝晶生长
聚酰亚胺气凝胶隔膜在10C倍率充放电下，锂沉积效率达83%（传统PP隔膜仅51%），且锂沉积表面更光滑，显著降低短路风险。
（三）低温环境适应性
保温与预热优化
气凝胶应用于电池包外侧保温层时，在-30℃环境中可维持电芯温度在-10℃以上，使放电容量保持在常温的80%（未防护时仅50%）。例如，比亚迪部分车型在寒区测试中采用气凝胶保温方案，低温续航提升约15%。
三、气凝胶与其他材料的性能对比
特性 气凝胶 云母板 玻璃纤维棉 聚氨酯泡沫
导热系数 (W/m·K) 0.013-0.025 0.3-0.5 0.04-0.06 0.02-0.03（易燃）
最高耐受温度 (°C) 800 600 400 140（燃烧）
厚度需求（同等效果） 2-3 mm 10-15 mm 20-30 mm 5-8 mm
阻燃等级 V0级 V1级 不阻燃 易燃
质量密度 (kg/m³) 50-150 200-300 100-200 30-50
四、实际应用案例与效果验证
宁德时代气凝胶方案
在NCM811高镍三元电池中，电芯间采用气凝胶隔热层后，热失控传播时间从22秒延长至600秒，且燃烧烟雾量减少90%。
碳气凝胶复合电极
使用碳气凝胶/LFP复合电极的电池，在3C倍率下放电容量达138 mAh/g（传统LFP电极仅110 mAh/g），循环1000次后容量保持率64.3%（传统电极28.6%）。
低温环境测试
某磷酸铁锂电池包在-20℃下，未使用气凝胶时容量衰减至52%，加装气凝胶保温层后容量恢复至78%。
五、未来发展方向
超薄化与柔性化
开发厚度小于1mm的柔性气凝胶片（如PI气凝胶），适配4680大圆柱电池等新型电芯结构。
多功能复合设计
将气凝胶与相变材料（PCM）结合，兼具隔热与储热功能，进一步优化温度均衡性。
成本降低与规模化生产
通过超临界干燥技术优化（如CO₂干燥），将气凝胶成本从100元/㎡降至30元/㎡，推动其在储能领域的普及。
气凝胶凭借其极低导热性、轻量化、阻燃性及宽温域适应性，成为解决锂电池热失控、低温性能衰减和能量密度瓶颈的关键材料。随着技术迭代与成本下降，其在动力电池中的应用将从高端车型向主流市场渗透，预计到2025年全球动力电池气凝胶市场规模将超50亿元，成为新能源产业不可或缺的核心材料之一。
来源：科学论