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背景介绍
严重的能源短缺和气候变暖加剧了开发新型储能技术的必要性。环保型电动汽车和储能站已被证明是解决全球问题的可能方案。锂离子电池因其较高的比能量密度而被认为是一种有前途的替代品，循环寿命长以及更少的自放电。然而，高低温循环、高倍率充放电循环等异常操作可能会影响电化学特性和热稳定特性，导致电池性能下降，甚至发展为热失控。因此，锂离子电池的热安全问题引起了广泛关注。高效的隔热是缓解热失控传播、限制损害的可行方法之一。此外，设计智能电池热管理系统（BTM）以减少锂离子电池日常运行过程中的热量积累，并防止热失控发生时的热量传递，不仅可以延长其使用寿命，还可以提高锂离子电池的安全性。
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成果掠影
近日，中国科技大学火灾科学国家重点实验室程旭东教授团队提出了一种基于耐高温气凝胶和相变材料的热管理功能集成材料，并应用于充放电过程和热失控情况。在这种夹层结构的石蜡@SiC 纳米线/气凝胶片（表示为 PA@SAS）系统中，SiC 纳米线赋予中间的气凝胶片（SAS）双纳米网络结构。通过压缩测试和动态力学分析研究了 SAS 的增强力学性能。此外，SAS 在 600 °C 下的导热系数仅为 0.042 W/(m·K)。表面相变材料层通过潜热促进电池温度均匀性（表面温差小于1.82°C）。PA@SAS在温升速率、火焰热流密度等其他安全问题上也表现出优异的性能。轻量化特性和有效的隔热性能使安全性得到显著提高，质量和体积能量密度分别仅降低0.79%和5.4%。本研究的独创性源于所提出的热管理材料的微观和宏观结构设计以及每个组件固有优势的结合。这项工作为实现热管理功能集成到气凝胶复合材料中提供了可靠的设计，并提高了锂离子电池的热安全性。研究成果以“Experimental study of dual nano-network, high-temperature resistant aerogel material as an integration of thermal management functions”为题发表在《Journal of Energy Chemistry》期刊。
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图文导读
图1 热失控试验中K型热电偶的测量配置和布置。
图2 PA@SAS中双纳米网络的结构设计和微观形貌。(a)PA@SAS的制造示意图。（b，c）PA@SAS在不同放大倍数下的微观结构，展示了由硅酸铝纤维增强的气凝胶。(d)真空浸渍后被石蜡覆盖的气凝胶颗粒的显微形貌。(e)由碳化硅纳米线和气凝胶颗粒构建的双纳米网络。（f，g）真空浸渍前后气凝胶颗粒的透射电镜图像，表明石蜡覆盖成功。
图3 PA@SAS结构的表征。(a)PA@SAS夹层结构（吸热保温隔热）横截面的微观形态。(b)用中性、酸性和碱性溶液测试了水的接触角，证明了PA@SAS的疏水性。气凝胶的(c) XPS，SAS，PA@SAS。(d)@SAS各组分的O 1s、C 1s、Si 2p谱(e) XRD谱，(f) FTIR谱。
图4 SAS的耐高温性。(a)SAS受到丁烷火焰的热影响20 min，没有任何损坏。（b，c）不同温度加热2h后SAS的孔隙结构变化和氮气吸附-解吸曲线。(d)热处理2h后SAS的宏观和微观形态。(e)SAS相对于热处理温度的线性收缩率。(f)空气中碳化硅纳米线、SAS、石蜡和PA@SAS的TG曲线。(g)热处理后SAS的转移原位XRD谱。
