2022年11月23-25日，由江蘇省硅酸鹽學會、南京工業大學、材料助研科技發展（無錫）有限公司、江蘇新能源電池材料與裝備產業院士協同創新中心聯合主辦的“首屆新能源陶瓷與器件技術高峰論壇暨長三角（江蘇）第32屆特種陶瓷學術年會”在宜興陶都半島酒店成功召開。本次大會以“共創新時代，探陶新未來”為主題，旨在共同探討陶瓷和新能源產業發展的新思路、新工藝、新途徑和新產品。200余位專家、學者及企業界朋友齊聚陶都，共同探討新能源陶瓷材料與器件技術，助力新能源產業發展。來自南京工業大學的仲亞副教授做了題為《氣凝膠材料在動力電池安全防護中的應用》的主題報告。本文根據專家報告內容整理，并已經專家本人審核確認。仲亞，男，南京工業大學材料學院副教授，入選江蘇省“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省“雙創計劃”雙創博士、江蘇省“蘇北發展特聘專家”等，兼任宿遷市南京工業大學新材料研究院副院長，南工大-航天806所“航天特種熱防護材料技術聯合實驗室”副主任、《工業水處理》核心期刊第一屆青年編委，中國硅酸鹽學會玻璃纖維分會第八屆理事會理事等。近年來，主要從事氣凝膠材料、納米多孔材料、功能復合材料的基礎理論和應用開發研究。研究方向包括：（1）納米氣凝膠材料的基礎理論研究；（2）纖維復合氣凝膠隔熱材料的開發及應用研究；（3）氣凝膠材料在新能源動力電池電芯熱防護領域的應用研究；（4）凹凸棒、石墨烯、纖維素基等氣凝膠功能復合材料制備及其對有害污染物吸附、分離等性能研究。先后主持國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省博士后基金、江蘇省重點研發計劃、江蘇省科技型創業企業孵育計劃等多項國家、省市級科研項目，共發表學術論文40余篇，授權中國發明專利17項，實用新型專利3項，授權美國專利1項，獲得國家教育部技術發明二等獎1項、江蘇省科學技術二等獎1項，擔任Cellulose、Microporous and Mesoporous Materials、 Langmuir、Journal of Materials Chemistry C等國際期刊的審稿人。感謝主持人的介紹，感謝組委會的邀請，讓我有機會介紹我們團隊研究的成果和方向。跟前面很多專家有點不太一樣，我現在做的材料可能不是電池方向的理論研究或者應用研究，但是我現在想介紹的材料氣凝膠材料是為新能源汽車保駕護航的，是保護電芯和電池材料的。我的匯報題目是《氣凝膠材料在動力電池安全防護中的應用》，我是來自南京工業大學材料學院的仲亞，我分以下幾個方面進行介紹。
一、氣凝膠材料氣凝膠材料被譽為21世紀的十大新材料之一，被譽為最神奇的材料。為什么神奇？它是由一種貫穿的納米粒子加上納米的孔徑在三維狀態下形成的一個納米多孔網絡結構，這樣的材料具有很多的優異的性能，它目前保持了14項世界吉尼斯記錄。我們看到，納米粒子只有幾個納米，孔隙是一個介孔材料，它的第一個性能就是它的熱導率低于靜止的空氣，小于0.02W/(mk)，為什么？如果說熱源從下面往上傳遞的話，要經過每一個納米粒子的傳遞才能到達納米粒子頂端。同時，因為它的納米離子的孔隙是小于空氣的平均分子自由程70納米的，所以，這樣的材料的熱導率可以低于靜止的空氣。第二個性能，這個納米多孔材料有高的比表面積，最高比表面積可以達到1000m2/g，相當于1g這樣的材料可以鋪滿整個足球場。第三個性能，密度超低，在前期被叫做固體藍煙，可以漂在空氣中的固體材料，密度比較低。這樣的低熱導率、低濃度、高比表面的性能會有很多其他優越匹配的性能，還有他的AA級防火性能，純無機的二氧化硅材料還具有低的折射率和介電常數等等。第二個，由于目前航空航天、國防軍工、工業窯爐、新能源等軍民領域諸多裝備高性能化同時出現的嚴重絕熱問題，結合國家雙碳戰略發展需求，極端環境絕熱材料被 列為重點發展方向。簡單介紹一下，左邊的飛機叫X37B，氣凝膠材料最早用在美國的航天飛機上的，現在逐漸地把這樣一個高性能產品逐步轉向民用，包括右上角的東風導彈目前也在用到，這樣的高性能怎么用到我們的民用呢？
它的應用領域非常廣泛，我們可以看一下它的應用領域。目前，這樣的材料不僅在航空航天，包括高馬赫飛行器、核潛艇，包括坦克導彈的紅外野生保護以外，在石油石化管道也是一個大量使用的節能材料，它的節能率可以達到40%到60%，比傳統的延綿、玻璃棉或者硅酸鋁的材料更節能。這個材料早在十年前美國的阿斯彭公司已經成功地在美國跟歐洲已經大批量使用了，目前國內這邊已經處于爆發的狀態。另外，它的高比表性能可以用在水處理方面，也可以用在煙氣的VOC的吸附方面，還可以用到太陽能、電池板的一些隔熱、防熱等等，還有新能源、民用的帳篷、隔熱的衣服、保溫的衣服、鞋子等等。由于它的應用領域特別廣泛，這個材料受到了全球的關注。首先，從中國的政策來看，中國制造2025把氣凝膠材料納入到前沿性材料之一。第二個，2018年我國第一個氣凝膠材料標準誕生，標準的誕生意味著這個材料將會大面積的使用。第一個國際標準是美國的，第二個是中國的。2019年產業結構的調整目錄把氣凝膠納進去了，2021年、2022年中共中央科技部、發改委、工信等等重大的一些項目把氣凝膠及其制品作為重點支持對象，這個也是針對碳達峰、碳中和的一個大的背景下，推廣我們氣凝膠材料。在這個大背景下，全國已經有18個省對氣凝膠材料進行了一個相關政策的扶持。我們從這張圖可以看到，氣凝膠材料是上個世紀30年代被美國一個斯坦福大學的教授發明出來的，至今快一百年了。我們可以從四個方向看，第一個材料方向，第二個工藝方向，第三個學術研究，第四個產業行業。大家從這個箭頭可以看出來，從最早的1931年發明二氧化硅氣凝膠之后，經歷了很長很長的階段，從無人問津到Nasa到第一家公司的誕生，到全國的爆發，經歷了很漫長的過程。從材料可以看出，最早只有二氧化硅氣凝膠，但是隨著材料的深入，它的應用領域不斷地被挖掘。從二氧化硅氣凝膠逐步有氧化物氣凝膠、有機氣凝膠、纖維素氣凝膠、碳氣凝膠、有機無機雜化氣凝膠、金屬氣凝膠等等，可以說世界萬物，如果有條件都可以把它做成氣凝膠的結構。一旦結構變化之后，它的性能會產生一個翻天覆地的變化。比如現在的電極材料，我們也可以用碳氣凝膠作為電極的負極材料，我們也在做相關研究。從干燥工藝來看，它也是一個溶膠—凝膠法，把里面的溶劑去除之后，留下一個固體的框架結構，那就可以成為一個固體材料，就可以進行應用。為什么最早它不能應用？因為它最早是乙醇的超臨界干燥，高溫高壓特別的危險，首個工廠（一家瑞典工廠）前期就發生過一個大的爆炸，因此，那個時候這個材料突然間銷聲匿跡。他們講這個材料雖然好，但是到產業化階段的路還很長。所以，在工藝上從高溫高壓到后來的二氧化碳超臨界，變成了低溫高壓設備，逐漸地穩定了它的生產工藝。從安全的角度講，把溫度降了四五十度，一個二氧化碳的超臨界的溫度，這樣就有望實現產業化。再到后來的常溫常壓或者常壓干燥，這樣可以實現這個材料的連續化生產，把成本降到最低。再到現在的3D打印或者是定向冷凍法，這樣可以塑造里面的三維結構，從這個材料工藝來講，極大地推進了行業科學研究的一個進度。從學術研究和行業產業化來看，我們從這個小圈圈可以看出來，這個綠色的小圈圈代表的是專利。上個世紀，相當于2001年之前，基本上沒什么專利。前段時間，當我們中國發展起來，美國跟咱們中國打官司，中國最后還是輸了，但是在歐洲，中國沒有輸。到了2000年之后，中國的第一家公司鈉諾科技誕生了。隨著研究的爆發，技術的爆發，產品系列化的爆發，到了2010年之后，整個全球的科學研究、產業化全部大爆發。這個是大概的一個發展進程。右邊是相關的高校的科研院所跟產業化公司，打藍色框框的這個江蘇安珈新材料公司是我們團隊經過20年的基礎研究，10年的中試放大研究，最后引來了投資，2020年也成功實現了規?；a，并形成了穩定的客戶和銷售。這個是我們的公司，后面會簡單介紹我們的產品。為什么氣凝膠有這么大的政策推動？為什么這么多的研究團隊去研究這東西？因為它背后有巨大的市場。我們從這個圖上可以看出來，2016年之后到2025年的預測，市場容量是超乎想象的，建筑就有幾千億市場容量，絕熱管道也有幾百億的市場容量，等等。但是，在新能源爆發之前這個數據不是很完善，所以說它最大的應用領域在哪里？大家萬萬沒想到，第一個爆發的居然是我們的新能源行業。新能源行業在五年前還沒有完全爆發，但是近五年來新能源完全爆發了，2020年氣凝膠在新能源的市場大概是8000萬，2021年三個億，2022年7個億，2023-2025年大概是兩百到三百億，市場一下子在新能源這邊完全爆發出來。本來以為這個材料應該在管道或者是窯爐先爆發，結果新能源爆發了，因為在大的雙碳背景下都在開發這樣的材料。簡單介紹一下我們的團隊以及我們是怎樣去做這個材料的。我們的團隊有兩位核心人物，一個是沈曉冬教授，一個是崔升教授。沈曉冬教授是中國絕熱協會副會長、氣凝膠分會的會長，氣凝膠協會也是他主持創辦的。崔升教授是協會的副秘書長、常務理事，也是氣凝膠分會的副會長、秘書長。在這兩位老師的帶領下，我們團隊從0到近20年、從中試到產業化到規?；a、到系列化開拓做了很多的工作。我們團隊還有很多的博士，還有國內外的知名專家對我們的項目的支持，正是由于他們的強烈支持，帶來了我們系列化的很多方向的推進。我們剛才講到了二氧化硅是隔熱，隨著納米多孔的結構，性能挖掘是很深很深的，所以我們前期只做了氧化物氣凝膠，硅、鋁、鋯，后面還有石墨烯、碳到碳化硅、二元三元等等系列，但是它在吸附、催化、載藥或者傳感、儲能都有很大的應用前景。我們通過跟航天系統包括工程物理研究院、省人民醫院的合作，慢慢地從隔熱方向逐漸往吸附載藥、催化或者是光譜調控等等方向不斷地開拓，因為從發文章來講，從科研來講，隔熱這個方向越來越難發文章，但是氣凝膠這個結構可以挖掘很多的應用前景。第二個，我們的平臺從最早跟航天系統建立相關的軍工方面的一個極限材料或者超級絕熱材料的研發，再到建筑行業的重點實驗室，我們也是提前做了一個大的布局，占領了一個先機，做一個平臺，用平臺吸引人才，這是一個平臺跟我們研究方向的一個開拓。這個展示了我們團隊近20年來開發的各類氣凝膠材料，從氧化物、無機、有機、雜化、耐高溫、薄膜、石墨烯等等，每一樣氣凝膠有不同的用處。比如，氧化物氣凝膠可以隔熱，薄膜可以用在電子產品里面，石墨烯可以用在吸附領域，還可以用在催化等等。這是我們對近20年來很多的成果。我們團隊近20年來獲得的國家級、省部級、國防9732等等50余項目，也授權了70余項發明專利。目前，在氣凝膠專利來講，我們團隊在搜索里面是排在前一二名的，先后獲得了軍民融合獎、教育部的技術發明獎、江蘇省的技術獎等等。這是我們產業化的經歷。從我們最早2021年進行中試放大，到在2020年大型產業化之前的一個中試產品的爆發式的中試放大，到最后正式投次投產。我們也做了一些協會的工作，組織、參與多屆國際氣凝膠會議，包括產業的創新發展大會，帶動了全國氣凝膠集體的共同發展。講了這么多，講了一下氣凝膠和應用，然后回到我們今天大會的主題。我們成果轉化的公司的產品已經開始大面積地使用了，包括寧德時代、比亞迪、福能、國軒等等都在用我們的產品?，F在有個問題，新能源汽車處于冰火兩重天的一個境界，為什么？第一個火是氣凝膠的銷量，它的產銷量已經基本達到生產多少，就能賣多少，同比增長1.1倍，市場占有率24%，這個也是今年成為主要的市場增長點；第二個冰在哪里？現在汽車報道了很多一撞就炸，或者突然間起火，充電就爆炸，為什么會產生這樣的問題？從現在的數據來看，右上角是我最近整理的數據。以前，寧德實在在電池行業80%到90%，但是這塊蛋糕實在太大了，比亞迪、LG、中航、國軒已經迎頭趕上，未來電池這一塊我覺得肯定是一個多強的模式。這是相關的一些事故，不多講了。有時候充電，高溫等等引發了燃燒的現象，為什么？在座的很都是電池專家，不贅述了。我的理解是，很多是串聯的模式，一旦一片燃燒會瞬間產生高溫，能產生1200℃的高溫，瞬間擊穿電池引起串燒，一旦達到一定的能量之后就會爆炸，最快5秒鐘就會爆炸，這就是爆炸的一個簡單的原因。現在新能源用上氣凝膠的只有10%不到，為什么？現在還在用傳統的電池隔熱材料，比如說泡沫板、超細玻璃棉、高硅氧棉甚至真空絕熱板。我們比較一下，看一看泡沫板雖然便宜，但是它阻燃效果不好，燃燒的時候會有大量的煙霧，不耐老化。超細玻璃棉、高硅氧棉屬于無機材料，它雖然可以用在新能源汽車里面，但是它的的厚度偏厚，影響電池的整個的裝載量，現在電池要提高它的續航能力，它的承載能力，一定要超薄的。真空絕熱板可以做得很薄，熱導率做得很低，但是它的硬度和柔韌性會很差，一旦破損，它的材料就會失效，這是一個真孔絕熱板有優點和缺點。但是，氣凝膠材料可以做成膜材料，我可以做得很薄，可以做到0.5毫米的材料?，F在比亞迪在用的是0.5毫米的隔熱材料，我們也在供應相關的產品，它兼具了低的熱導率、柔性、阻燃、超薄，還可以防水，這樣一個氣凝膠材料正好可以用到現在的電芯隔熱，不占空間，還能達到最優的隔熱效果，還可以防火防爆。這樣的氣凝膠材料能在電芯里面可以長期存在，目前已經存在了五年。未來會不會消失，這個不太好說，但是目前不用氣凝膠材料還真不行，很多包括國軒、中航、寧德時代都在推氣凝膠的材料。氣凝膠主要用在汽車的哪個位置呢？用在動力電池的箱體、電芯模組、發動機機艙、高溫管路、儀表臺防火隔熱層、電芯與電芯之間，主要的效果就是隔熱、阻擋火焰、保溫，延緩有毒有害氣體的散發，也減少人員的傷亡，因為提升了他逃生的空間和時間。氣凝膠不光是在小車上用，也在大巴車上，現在的宇通、比亞迪的一些公共汽車也在用到氣凝膠材料。氣凝膠材料目前分三代。最早是2016年寧德時代開發的一種材料叫預氧絲材料，預氧絲耐溫是350℃，加PEPI膜或者PE膜加硅膠框的模式，這是氣凝膠的第一代膜磨料。為什么封裝？因為氣凝膠材料是由納米顆粒組成的，在車行駛過程中會振動，振動導致顆粒會掉，所以要膜封上以避免氣凝膠失效。但是，這個材料成本高，硅膠框+膜+工藝太復雜。它的第二代叫噴涂工藝，直接在氣凝膠上下表面噴耐高溫的涂料涂層，這樣的材料可以直接背膠粘到電芯與電芯之間進行組裝，但是這兩款材料都不耐高溫，大概350到400℃；第三代材料叫陶纖和玻纖材料，一個超薄的產品已經大面積使用。但是，預氧絲還有車型在用，未來的方向肯定就是陶纖跟玻纖的一個大批量使用。下面的很多形態是我們的產品照片。因為不同汽車廠和不同電池廠的電池的組裝、大小都不一樣，我們可以根據我們的客戶的需要進行定制，也很多種組合模式。前兩天我們把這款產品也推到了頭條上，我們南工大團隊首先實現了一千度的陶瓷氣凝膠在811電池上的使用，因為811電池現在還很不穩定，還沒有大面積使用。這款材料是2019年寧德時代找我們做的，我們開發出來了，現在已經慢慢地用在811電池上，這個在國內外都是首款。這是第三方的權威檢測，待會兒放一個視頻大家看一下。這是當時拍的一個近照，還有一個幾秒鐘的圖，做了一個對比。當時觸發的時候測了一下溫度，大概接近1200℃。這個電池在燃燒10分鐘之后，火苗就漸漸消失了，我們一直在等20分鐘、30分鐘，它的電芯到底是什么樣的狀態。這個就是燒完之后的照片，右邊是1200℃擊穿之后已經完全燒毀了，左邊這個電池是完全還可以正常導電運行的，當時這個測試的厚度是兩個毫米，很薄的。目前，我們團隊做了一些相關的產品，已經在吉利、福能、億緯鋰能、比亞迪的產品上進行規?；膽?，后期會有很多新的車型出來。最后，我總結一下。氣凝膠材料這個產業從無到有，屬于重大的原始創新，顛覆性的技術。我國氣凝膠其實處于國際的并跑狀態，在某些方面還是領跑狀態。氣凝膠材料也是中國少有的能跟國際抗衡的材料，也建立了氣凝膠納米材料的顛覆性的技術創新體系和產業體系，引領著氣凝膠材料創新的應用。我想通過我們團隊跟大家一起努力，把氣凝膠材料做到能抗衡國外，國外做不了的，我們也能做。感謝各位專家和領導的聆聽，請批評指正。
