现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 26-30. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.005

技术进展

气凝胶及其复合材料在电池热管理中的应用进展

李婧 ¹^,²^,^* ,
李攀 ¹ ,
刘涛 ³ ,
雷嘉辰 ¹

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Advances in the application of aerogels and their composites in battery thermal management

Jing LI ¹^,²^,^* ,
Pan LI ¹ ,
Tao LIU ³ ,
Jia-chen LEI ¹

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摘要

综述了气凝胶及其复合材料在新能源汽车电池热管理中的研究进展。针对锂离子电池在宽温域下的热失控风险,分析了气凝胶材料通过纳米孔隙结构抑制热传导的微观机制及其在低温保温与高温隔热中的双重优势。重点探讨了气凝胶与相变材料复合体系的协同效应,包括宏观封装与多孔介质封装2种技术路径,以及智能可调热阻气凝胶的创新设计。研究发现,气凝胶复合相变材料仍面临循环稳定性及规模化制备等挑战。未来发展方向应聚焦于多目标协同优化,包括开发低成本环保制备工艺以及集成智能动态调控系统,以推动气凝胶材料在电池热管理领域的实际应用。

Abstract

This paper reviewed the advancements in aerogel and its composites regarding the thermal management of batteries in new energy vehicles.Given the risk of thermal runaway in lithium-ion batteries across a wide temperature range,this study analyzed the microscopic mechanisms by which aerogel materials inhibit heat conduction through their nanoporous structures.Additionally,it explored the dual benefits of aerogels in both low- and high-temperature thermal insulation.The synergistic effects of the aerogel and phase change material composite systems are discussed in detail,covering two technical approaches:macroscopic encapsulation and porous dielectric encapsulation,as well as the innovative design of intelligent,tunable thermal resistance aerogels.The findings indicated that aerogel composite phase change materials still encounter challenges,such as cycle stability and large-scale production.Future development should prioritize multi-objective collaborative optimization,including the creation of low-cost,environmentally friendly preparation processes and the integration of intelligent dynamic control systems,to enhance the practical application of aerogel materials in the realm of battery thermal management.

Graphical abstract

关键词

气凝胶 / 复合材料 / 相变材料 / 隔热 / 热管理

Key words

aerogel / composites / phase change material / insulation / thermal management

引用本文

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李婧,李攀,刘涛,雷嘉辰. 气凝胶及其复合材料在电池热管理中的应用进展[J]. , 2026, 46(3): 26-30 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.005

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在全球化能源危机和环境污染的双重挑战下,新能源汽车作为减少化石燃料依赖和降低温室气体排放的关键途径,发展速度迅猛。2024年全球新能源车销量达到1 823.6万辆,同比增长24.4%,中国市场占比超70.5%。然而,电池热失控所引发的安全事故,成为了制约新能源汽车大规模普及的重要因素。锂离子电池因高能量密度而在新能源汽车中得到广泛应用,但其性能、寿命与安全性高度依赖温度控制。研究表明,电池温度偏离15~35℃最佳稳定范围时,容量衰减速率提升3~5倍,热失控风险指数级上升。气凝胶凭借超低热导率与轻质性成为电池隔热材料的研究热点,但其单一隔热功能难以应对动态热载荷挑战。本文中聚焦气凝胶及其相变复合材料在电池热管理中的进展,通过批判性分析现有研究矛盾,提出多目标协同优化的未来方向。

1 电池热管理的重要性和作用

电池作为储能设备在各种应用中得到广泛使用,例如电动汽车、便携式电子设备和储能系统等。在电池工作过程中,由于化学反应释放的能量或充电时的能量损耗,电池会产生大量的热量,导致电池温度升高^[1]。过高的温度会显著影响电池的性能和寿命,并可能引发严重的安全问题。

在性能层面,电池性能受温度影响主要是因为温度变化会影响电化学反应的速率、电池内阻、电解液的离子导电性以及电极材料的活性^[2]。适宜的温度可以维持电池化学反应的最佳速率和较低的内阻,而过高或过低的温度都可能导致电池性能下降。然而,当前研究多聚焦静态温度影响,忽视了动态工况下的温度梯度效应的危害。例如,快充(>2 C)时电池内部温差可达8℃,导致局部锂沉积不均,加速容量衰减^[3]。此外,高温(>40℃)虽暂时提升反应速率,但会引发SEI膜增厚与活性锂损失,形成“短期增效、长期失效”的矛盾^[4]。在寿命层面,高温可能会让电极材料发生结构变化,导致电解质的蒸发和隔膜的损坏,并可能使电池外壳变形^[5]。相关研究表明,电池在55℃下循环500次后,容量保持率仅剩30%,而在25℃下循环相同次数后,容量保持率可达到80%^[6]。从安全性层面分析,电池工作过程中的产热本质源于不可逆极化反应与欧姆阻抗的耦合效应。周晓猛等^[3]的实验表明,当锂离子电池以高倍率(>3 C)充电时,局部热点温度可能突破80℃。一旦电池温度超过80℃时,可能会导致电解液分解、正负极材料失效等现象^[7-8]。这现象揭示了传统风冷/液冷系统的局限性——仅依赖外部散热难以平衡局部过热与整体温均性问题。而现有研究大多只关注宏观温控效果,却忽视了微观尺度下电极和电解质界面的热力学非平衡态。

尽管多数研究聚焦于高温防护,但低温(<-20℃)导致的锂沉积问题同样不容忽视。实验表明,在 -30℃下以0.5 C充电时,石墨负极表面会形成枝晶状锂金属沉积,生长速率比常温条件下高3~5倍。气凝胶的绝热特性在此场景中呈现出一种矛盾的特性:其一,能够有效减少电池与外界环境的热交换,从而延缓因低温导致的容量损失;其二,可能阻碍电池内部热量的均匀分布,进而加剧局部的过冷现象。对此,科研人员采用气凝胶与相变材料的复合结构,通过相变潜热维持电芯间温差。

2 气凝胶电池隔热材料的优势

2.1 多孔电池隔热材料

采用高效的热管理不仅能够保障电池的安全运行,还能有效控制多电池组中的局部热失控。在热管理中,隔热材料在热管理中扮演着至关重要的角色。在电池电芯或模组内加入隔热材料是一种简单而高效的热管理方法,能够有效阻断或延缓热失控的传播,从而显著提升电池组的运行安全性能。理想的电池隔热材料应具备低热导率、轻质、优秀的化学稳定性和耐高温性能。一般多选用多孔材料。传统的隔热材料有高硅氧棉、超细玻璃棉、真空隔热板、聚氨酯泡沫等,特点见表1^[9]。传统隔热材料在电池应用中存在密度大、加工困难、安全及耐久性不佳等问题,亟待一种综合性能优异的新型材料应用于电池热量控制。

2.2 气凝胶电池隔热材料的优势

气凝胶的隔热性能源于独特的多级孔结构。从微观机制来看,其内部99.8%的气体填充率通过以下3种方式抑制热传递。第一,纳米级孔隙限制气体分子自由程,从而显著降低气体热传导贡献^[10]。第二,高比表面积增强红外辐射散射,减少辐射传热^[11]。第三,三维网络骨架形成曲折热传导路径,进一步延缓固体导热。这使气凝胶的导热系数比传统材料(如聚氨酯泡沫)低,成为电池隔热的理想选择。在众多气凝胶类型中,二氧化硅气凝胶因环保性好、制备工艺成熟、低成本前驱体(如硅酸盐)等优势,率先实现商业化。其密度可低至3 kg/m³(仅为聚氨酯泡沫的1/13),对减轻电动汽车电池组重量意义重大。

尽管气凝胶材料具有优异隔热性能、环保等优点,但仍面临一些重大的挑战。一方面是由于其特殊的微孔结构,所以材料质地较为脆弱,抗拉强度较低,容易挤压变形;另一方面是因为气凝胶材料的制备时间较长和加工工艺比较复杂,导致价格比传统隔热材料要高一些。针对力学性能不足的问题,科研人员采用以下几种方法。通过与玻璃纤维、玻璃棉毡和电纺纤维等材料复合,提高气凝胶的抗压和抗拉伸性能,但导热系数和密度也会相应增加;有机-无机杂化合成法通过共前驱体凝胶或接枝合成,将有机分子基团连接到气凝胶上以增强力学性能。但有机组分的引入使热稳定性显著降低,在高温下发生热解导致骨架坍塌。添加纳米材料如碳纳米管、氧化石墨烯、纳米纤维素等调控气凝胶孔隙结构以提升力学性能。但存在着制备成本高、热稳定性显著降低的问题。超临界干燥技术受限于高压设备的高成本操作和长达数十小时的处理周期,两者叠加显著制约了生产效率——例如单批次处理时间较常规热风干燥延长5~8倍,导致该技术难以满足规模化生产需求。针对超临界干燥技术依靠高压设备和长时间的处理,这对生产效率构成了制约。尽管Xiao等^[12]改进的原位超临界分离法已将气凝胶片的制备时间缩短至3 h,但Shi等^[13]所提的原位溶胶-凝胶浸渍和燃烧干燥工艺更加高效,仅需几分钟的干燥时间,大大缩短了整个制备流程。不过,其设备投资相较于常压工艺仍处于较高水平。此外,生产过程中虽原材料具备环保无毒的特性,但所使用的有机溶剂(如正硅酸乙酯)以及超临界二氧化碳工艺可能会引发二次污染问题。尽管气凝胶材料优势明显,但在实际应用中存在力学性能方面的挑战,其脆性特性容易导致电池组装的失效。而现有的增强策略虽能一定程度提升力学性能,但却往往以牺牲隔热性能为代价,这使得气凝胶在实际应用和性能优化上面临两难的困境。

3 气凝胶应用于电池隔热的研究进展

3.1 低温环境下的热管理矛盾与气凝胶的被动策略

锂离子电池在低温(如-20℃)下性能显著退化,输出功率降至标称值的60.6%,且锂枝晶生长风险加剧^[14]。传统隔热材料(如陶瓷纤维)虽能缓解低温影响,但保温效率有限。Liu等^[15]对比发现,气凝胶材料的保温效率比纤维材料高13%,但其研究仅针对过充场景,未涉及快充或低温充电等复杂工况,而后者在实际应用中更为常见。例如,在寒冷地区快充时,电池内部产热速率与外部低温的交互作用可能导致局部热应力集中,而现有气凝胶方案尚未系统评估此类动态热载荷下的性能衰减。Wu等^[16]提出基于气凝胶的被动热管理策略,通过回收电池废热在-15℃下维持90%的能量效率。这一方案虽能缓解低温性能衰减,但存在两大局限性:一是被动热回收效率受环境温度波动影响显著,在昼夜温差大的地区可能导致热管理失效;二是气凝胶的过度保温可能阻碍电池正常散热,尤其在高温环境下加剧热失控风险^[17]。因此,单一被动策略难以满足全域工况需求,需开发温度自适应的动态热管理材料。

3.2 智能可调热阻气凝胶的突破与集成瓶颈

针对隔热和散热的动态矛盾,Cheng等^[18]和Yu等^[19]分别设计了应变响应型石墨烯气凝胶和压缩调节型碳纳米管气凝胶(图1)。前者通过外力压缩使导热系数变化,实现热阻连续调控;后者通过机械调节器改变界面接触热阻,使散热能力提升。这些成果标志着气凝胶从静态隔热材料向智能热控材料的跨越,但其工业化应用仍面临制备成本高昂和机械干预的实用性缺陷。现有方案依赖外部机械装置(如压力驱动器)调节热阻,导致电池模组体积增加,且长期机械疲劳可能引发可靠性问题。例如,Yu等^[19]的碳纳米管气凝胶需周期性施压以维持散热效率,在车载振动环境中易出现结构松动或接触失效。

为更好地实现智能可调热阻气凝胶,研究者可以通过以下思路:①相变驱动自调节气凝胶将石蜡或脂肪酸等相变材料(PCM)嵌入气凝胶骨架,利用相变体积变化触发孔隙结构重组。在高温下相变材料熔融膨胀压缩气凝胶孔隙,从而增强导热性;低温时相变材料凝固恢复高孔隙隔热状态。②制备热响应型智能材料,引入热纳米颗粒(如Fe₃O₄、聚多巴胺)或热致变色材料,使气凝胶热阻特性受外部光/热信号调控。③人工智能辅助的动态控制系统,结合嵌入式温度传感器与机器学习算法,实时预测电池热状态并优化气凝胶热阻参数。

4 气凝胶复合材料在电池隔热中的应用

在主动温度调节领域,相变材料由于可逆的热能储存和释放,在建筑节能、太阳能储能、电气电子设备热管理等诸多领域得到了广泛的应用。然而,低导热和容易泄漏限制了其发展^[20]。因此科研人员提出在气凝胶中复合相变材料以吸收电池产生的热量。为了提高相变材料的封装性能并解决泄漏问题,科研人员提出了宏观封装和多孔介质封装等策略。

宏观封装通过物理隔离气凝胶隔热层与相变材料吸热层,实现功能空间分化。Weng等^[21]通过将二氧化硅气凝胶与相变材料相结合,研发出了一种能够有效缓解热传播的安全结构设计。这种复合结构同时具备吸热和隔热的双重功能,具体设计如图2(a)所示。在温度超过一定阈值时,相变材料吸收多余的热量平衡电池模块内部的温度分布,控制电池温度。在热失控情况下,二氧化硅气凝胶毡能有效隔绝电池间的热量传递,延缓热传播速度。实验结果证实,相变材料与气凝胶的结合可有效解决电池使用中散热和隔热需求的矛盾性。此设计的核心矛盾在于相变材料吸放热循环过程中的体积膨胀可能挤压气凝胶层导致结构变形。Zhou等^[22]提出了一种电池热管理模型,该模型通过在相邻电池间放置气凝胶来减少沿电池厚度方向的热传递,具体模型如图2(b)所示。同时,在另一方向上应用相变材料吸收电池初始释放的热量,避免热量在电池模块中积聚。与仅使用气凝胶相比,该模型能有效减少电池间的热量传递,并显著增强电池模块的散热能力。但此设计存在着相变材料吸热融化后的流动性可能破坏气凝胶的多孔结构或者腐蚀电池的问题。

多孔介质封装通过气凝胶的三维网络限制相变材料流动,是当前主流技术路线。Wang等^[23]利用金属有机骨架衍生碳/氧化石墨烯杂化气凝胶封装月桂酸,实现90%的相变材料负载量与140 J/g的相变焓值,热导率为1.35 W/(m·K)。该工作的创新性在于利用金属有机骨架衍生碳的高比表面积提升相变材料负载量。研究表明高负载与高热导率之间存在固有矛盾。根本原因在于碳材料与相变材料的界面声子失配。石墨烯的sp²杂化碳层与月桂酸烷烃链的范德华作用力较弱,导致界面热阻高。为此,Fu等^[24]引入氮化硼纳米片(BNNS)与多壁碳纳米管(MWCNT)构建仿生“砖-泥”结构。BNNS作为刚性骨架提供导热路径,MWCNT填充间隙增强界面耦合,使热导率从0.5~0.96 W/(m·K)提升了91.8%。然而,此类策略存在着成本与可持续性问题。BNNS与MWCNT的原料成本高,且制备过程能耗高,难以满足新能源汽车大规模应用需求。现有研究多关注短期性能(<100次热循环),而车规级要求至少5 000次循环后容量保持率>80%。

总的来说,以上模型结合了相变材料和气凝胶的优点,在一定程度上解决了既散热又隔热的矛盾问题,为电池的热管理奠定了一定基础。但是这种结构仅仅为电池的设计提供了一种思路,在实际运用中存在着相变材料容易泄露影响电池安全的问题。在电池热管理领域,如何有效结合气凝胶和相变材料的优势以提升热管理效率,仍是一个技术挑战。Luo等^[25]通过控制浸渍相变材料的体积,开发了一种用于个人热管理的双层气凝胶复合相变材料。该材料在寒冷条件下,利用相变材料的相变潜热和气凝胶的低热导率实现保温;而在炎热条件下,依靠气凝胶的隔热性能和相变材料的相变潜热来阻断热量传递。这种结构巧妙地结合了气凝胶的隔热特性与相变材料的热储存功能,为热管理技术提供了创新的解决方案。在太阳能蒸发器领域,材料的分层设计同样至关重要:顶部需要光热转换材料以吸收太阳能,而底部则需要亲水材料以输送水分。因此研究者借用该种概念通过设计制备技术开发了气凝胶多层复合材料。Sun等^[26]通过2次凝胶化过程制备了双层纤维素气凝胶,而Song等^[27]则通过2次冷冻溶液的方法开发了双层气凝胶。Guo等^[28]则在溶液中引入铁基金属有机框架衍生的光热纳米颗粒,并通过磁铁将其引导至蒸发器的一侧,形成了具有光热转换功能的双层气凝胶结构。若将这些双层气凝胶结构应用于电池热管理,一侧使用气凝胶复合相变材料,另一侧使用气凝胶提供隔热性能,这种具有吸热和隔热2种功能的气凝胶复合相变材料有望显著推动电池热管理的发展。

5 结语与展望

综述了气凝胶及其复合材料作为一种高性能隔热材料的特性、优势以及在电池隔热领域的应用。气凝胶的独特性质,如极低的热导率、高孔隙率和轻质性,使其成为电池隔热的理想选择。电池热管理对于提高能源利用效率、延长电池寿命以及保障电池安全至关重要。在电池热管理的应用实践中,气凝胶从简单的隔热层到与相变材料的结合,再到独特结构复合材料的应用,气凝胶的潜力正在被不断挖掘。尽管气凝胶在电池隔热领域已经取得了显著进展,但仍面临一些挑战。例如,电池热管理中的相变材料通常要经历数千次的热循环,循环稳定性和使用寿命有待进一步研究。当新能源汽车在寒冷地区使用时,需要考虑预热问题,而目前大多数热管理更关注其冷却性能。利用相变材料的储能特性,电池产生的热量的有效利用还需进一步研究。

展望未来,气凝胶在电池隔热领域的发展潜力巨大,发展趋势预计将集中于开发低成本干燥工艺,目标将气凝胶生产成本降低。随着材料科学的持续进步,气凝胶的隔热和机械性能将得到进一步优化,以适应更多应用场景。改进生产工艺和规模化生产将降低成本,提升市场竞争力。同时,气凝胶将集成防火、防水、电磁屏蔽等多重功能,以满足电池系统日益增长的复杂需求。环保型气凝胶的开发将减少环境影响,提高可回收性。智能化的气凝胶材料将推动电池热管理向自适应和自动调节方向发展,提升系统效率。此外,跨学科的合作将推动气凝胶材料科学、化学工程、能源技术和环境科学等领域的综合进步。尽管面临技术和市场挑战,但通过不断的研究和创新,气凝胶材料有望在未来的电池热管理中扮演更加关键的角色,为新能源汽车行业的发展提供强有力的支持。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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