卡伯特肠 万吨 气凝胶:降低电池电动车的热失控风险

卡伯特肠 万吨 气凝胶:降低电池电动车的热失控风险



卡伯特肠 万吨 航空凝胶:降低电池电动车的热失控风险。大卫·弗拉纳里、张晓峰、彼得·派斯卡托、肖恩·沙利文、杰弗里·甘杰、克莱尔·班农、赛义德·丘达哈里;2023年12月。

市场机会及应用概览
全球电动汽车市场正在以前所未有的速度扩大。预测表明,从2023年每年销售的1000万辆电动汽车大幅增长到2030年的约4200万辆,复合年增长率为23%。 

到2030年,预计全球销售的新汽车中35%将是电池电动车。与此同时,严格的全球安全法规正在推动电动汽车用锂离子电池采用隔热屏障。 

这些措施的目的是降低由罕见但危险的电热电池失控事件引起的火灾风险。热失控源于电池,可由短路、电池缺陷或外部因素引起的机械故障(如穿透电池组的钉子)触发。 

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这些热事件对乘客和财产构成威胁,并可能导致汽车原装设备制造商召回昂贵的车辆。全球安全条例规定"乘客至少有五分钟的时间下车"。,联合国欧洲经委会全球铁路公司(GTR20),以防发生热失控事件。 

电动汽车电池组内使用的防火材料将随着电动汽车市场的增长而增加。由于气凝胶具有良好的隔热、压缩和轻型性能,因此在电池级和BEVS内的包装层均可采用气凝胶( 图1 )。迄今为止,气凝胶已用于袋状和棱镜式电池以及锂离子电池阴极化学化学:1)镍钴铝/锰;2)锂-铁磷酸盐。圆柱形细胞类型目前使用泡沫和水煮剂进行热管理。袋和棱柱电池应用的热障通常建立在气凝胶的隔热功能之上,将塑料泡沫和云母等辅助材料结合在一起,以防止电焊。   

图1:电池电动车防火材料


此外,由电池电动汽车应用驱动的气凝胶需求预计将从2023年的大约2亿美元增加到2034年的18亿美元。三分之二的气凝胶需求将用于安装在电池电池之间的热障,三分之一将用于包装层。典型的情况是,最薄的热障(1毫米至2毫米)在电池间使用,因为这是最受空间限制的子应用,而较厚的热障(3毫米至5毫米)在包装层使用,因为这是电池和客舱之间的最后一道防火线。

在电动汽车中,许多电池都紧密地堆叠在一起,所以如果一个电池进入热失控状态,如果不使用适当的隔热材料,它就可以级联到邻近的电池。绿色显示的无源热障( 图2 )放置在电池电池之间、电池模块中、电池组水平,以容纳和减缓热传播。  


卡伯特公司通过提供企业参与EV热管理价值链 万吨 气凝胶微粒( 图3 )。卡博特制造和销售气凝胶微粒给下游配方师,他们正在为这一应用开发热屏障。 

肠气凝胶在最后的热屏障中提供使能的绝缘性能。配方师可以将气凝胶颗粒与玻璃纤维、陶瓷纤维、粘合剂等材料结合起来,例如制作气凝胶垫和毯子。这些垫片可以与泡沫和云母等补充材料相结合,制成最后的热屏障,然后卖给汽车制造商和电池供应商。热障购买决定是由设计电池组的实体做出的。


卡伯特 肠 万吨 气凝胶颗粒  -减少电池电动车的热失控风险
肠气凝胶微粒能够制造高绝缘、不易燃、薄的电池电动汽车热屏障。气凝胶由90%以上的空气组成,是地球上最好的绝缘体之一。卡博特制造了一种独特形式的硅胶--直径为0.1毫米-1.2mm、具有纳米孔隙的肠内颗粒--它通过低导热性降低了热的传播( 图4 )。由于气凝胶颗粒具有高度多孔的形态,含有热量的单个气体分子之间的相互作用受到阻碍,大大减少了通过含有热量的材料的传热。  


肠气凝胶微粒提供了巨大的配方灵活性,可以被纳入许多类型的热屏障,包括毯子、垫片、床单、薄膜、泡沫和涂层。肠气凝胶具有若干特性,使其具有突破性:(1)异常低的导热性;(2)优异的热稳定性;(3)极低的密度;(4)化学稳定性;(5)疏水性;和(6)低的粉尘电位。

在空间受限的应用中,Eena气凝胶提供了特殊的绝缘材料,使电池组空间的优化,以增加电池的练习范围,这是电动汽车买家的一个关键因素。导热系数越低,通过材料的热传递越少。鉴于其极低的导热性,恩雅气凝胶使最薄的形式能够完成所需的工作( 图5 ).  


条形图预测了三种不同材料所需的厚度,以提供相同的隔热材料。气凝胶可以减少所需的热障厚度,比陶瓷纸减少2倍,比硅泡沫减少3倍。  

此外,埃雅气凝胶具有极好的热稳定性,即使在热失控时达到的温度也是如此。卡伯特试验表明,在暴露在高达1000℃的高温下30分钟后,EJAN气凝胶保持其极低的导热性(25兆瓦/M-K)。与电动车辆常用的其他防火材料相比,肠气凝胶的密度也极低( 图6 )。这种极低的密度导致了车辆的光重,增加了每次电池充电的驾驶范围,并减少了与电动汽车动力相关的排放。


肠气凝胶颗粒还可以提高应用于电池组内部的阻燃涂料的性能。这些可喷性气凝胶涂层的厚度在2毫米到5毫米之间,比陶瓷涂层的绝缘性高60%-70%。

卡伯特 肠 万吨 气门型热障 -减少电池电动车的热失控风险
肠气凝胶是一种优良的绝缘添加剂,为电池电动车的热屏障,以最大限度减少热失控风险。卡博特已经开发了气凝胶垫原型与肠气凝胶,以演示可以实现的性能水平,我们的粒子。肠气凝胶可与玻璃纤维、陶瓷纤维等材料制备而成.原型垫是没有出售的卡伯特。这些微粒使薄垫片(1毫米-2毫米,或更大)的生产具有良好的厚度均匀性。这些垫片还提供了优良的隔热材料,如室温下的导热系数小于25兆瓦/M-K,是不易燃的,并通过了UL94V0试验。

更重要的是,卡伯特进行了电池供应商和OEM常用的"热冷板"试验,以确定用肠气凝胶颗粒配制的绝缘垫能够抑制电动汽车电池的热传播的程度。热冷板试验系统用于模拟热失控情况,热板模拟热失控触发电池,冷板作为正常电池。将气凝胶垫插入冷热板和热板之间,以减少热传播( 图7 )。热电偶连接到与气凝胶垫接触的板的热侧和冷侧,热板和冷板之间的垫施加50psi压力。热板从室温加热到650℃,温度记录10分钟。 

图7:肠气凝胶垫的性能验证



这种性能测试表明,含有EENA气凝胶的垫与不含气凝胶的同样厚度的玻璃或陶瓷纤维垫相比,可以提高100℃的绝缘性能。冷热之间的温度差(DLTA-T)是一个关键,因为它是从热失控触发器到邻近电池的热传播(热传递)阻力的标准。

高德尔塔-T可能意味着热失控事件可以控制到一个电池,从而最大限度地降低它在整个电池组中的传播潜力,而电池组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爆和最高温度在阴极化学(例如:、跨国公司、LFP和肠a 万吨 可在各种厚度范围内制造气凝板,以提供必要的绝缘材料,满足电动汽车电池的各种需求。 

更进一步,卡博特的原型热障垫是用恩雅气凝胶制成的,它具有很强的机械性能,使它们能够用于共同的下游工艺,如层压、附着力和不断裂的轧辊制造( 图8 ).

图8:肠功能气凝胶垫的机械性能



原型垫即使有40%的气凝胶颗粒,也保持了很高的抗拉强度。除了在装配过程中对高强度的要求外,在电池之间插入的气凝胶垫必须具有良好的弹性,因为电池将在充电/放电周期中膨胀和收缩。在循环压缩试验(0-50%的压缩)中,含有肠气凝胶颗粒的垫在循环过程中表现出优异的弹性。

最后,卡博特证明,可使用航空燃料的绝缘垫与粘合剂兼容,而且往往将补充材料纳入最后的热屏障。这可以包括泡沫压缩垫和云母片,以防止电弧,从而能够制造具有额外功能的多层热障结构。

肠 万吨 提供航空凝胶产品
卡博特于2023年为电动汽车推出了EUMA气凝胶,重点是为电池电动汽车提供配方灵活性和绝缘性能。该产品包括三种产品:EV5200、EV5400和EV5800( 图9 )。对于开发毯子、垫、床单、薄膜和泡沫的配方师来说,EEV5200气凝胶是合适的.如果遇到挑战分散Ev5200,Ev5400气凝胶是一种选择。由于其粒径小,粒径分布窄,适合于客户研制可喷型阻燃涂料或超薄绝缘层。


结论

严格的全球安全条例正在推动电动汽车电池组采用热屏障,以确保乘客在发生热失控时安全离开车辆,这可能导致火灾。气凝胶是地球上最好的绝缘材料之一,使其成为空间限制应用的理想解决方案,如EV电池组中的应用。 

卡伯特的肠气凝胶微粒提供了极好的配方灵活性,可以通过不同的制造方法被纳入各种产品形式。此外,已经证明,带有颗粒物的气凝胶垫能够满足严格的电动汽车电池要求,以降低热失控的风险。卡博特公司提供了三种恩达气凝胶微粒产品,以满足配方师为电池电动汽车研制热屏障的需要。