2022年11月23-25日，由江苏省硅酸盐学会、南京工业大学、材料助研科技发展（无锡）有限公司、江苏新能源电池材料与装备产业院士协同创新中心联合主办的“首届新能源陶瓷与器件技术高峰论坛暨长三角（江苏）第32届特种陶瓷学术年会”在宜兴陶都半岛酒店成功召开。本次大会以“共创新时代，探陶新未来”为主题，旨在共同探讨陶瓷和新能源产业发展的新思路、新工艺、新途径和新产品。200余位专家、学者及企业界朋友齐聚陶都，共同探讨新能源陶瓷材料与器件技术，助力新能源产业发展。来自南京工业大学的仲亚副教授做了题为《气凝胶材料在动力电池安全防护中的应用》的主题报告。本文根据专家报告内容整理，并已经专家本人审核确认。仲亚，男，南京工业大学材料学院副教授，入选江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“双创计划”双创博士、江苏省“苏北发展特聘专家”等，兼任宿迁市南京工业大学新材料研究院副院长，南工大-航天806所“航天特种热防护材料技术联合实验室”副主任、《工业水处理》核心期刊第一届青年编委，中国硅酸盐学会玻璃纤维分会第八届理事会理事等。近年来，主要从事气凝胶材料、纳米多孔材料、功能复合材料的基础理论和应用开发研究。研究方向包括：（1）纳米气凝胶材料的基础理论研究；（2）纤维复合气凝胶隔热材料的开发及应用研究；（3）气凝胶材料在新能源动力电池电芯热防护领域的应用研究；（4）凹凸棒、石墨烯、纤维素基等气凝胶功能复合材料制备及其对有害污染物吸附、分离等性能研究。先后主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省博士后基金、江苏省重点研发计划、江苏省科技型创业企业孵育计划等多项国家、省市级科研项目，共发表学术论文40余篇，授权中国发明专利17项，实用新型专利3项，授权美国专利1项，获得国家教育部技术发明二等奖1项、江苏省科学技术二等奖1项，担任Cellulose、Microporous and Mesoporous Materials、 Langmuir、Journal of Materials Chemistry C等国际期刊的审稿人。感谢主持人的介绍，感谢组委会的邀请，让我有机会介绍我们团队研究的成果和方向。跟前面很多专家有点不太一样，我现在做的材料可能不是电池方向的理论研究或者应用研究，但是我现在想介绍的材料气凝胶材料是为新能源汽车保驾护航的，是保护电芯和电池材料的。我的汇报题目是《气凝胶材料在动力电池安全防护中的应用》，我是来自南京工业大学材料学院的仲亚，我分以下几个方面进行介绍。
一、气凝胶材料气凝胶材料被誉为21世纪的十大新材料之一，被誉为最神奇的材料。为什么神奇？它是由一种贯穿的纳米粒子加上纳米的孔径在三维状态下形成的一个纳米多孔网络结构，这样的材料具有很多的优异的性能，它目前保持了14项世界吉尼斯记录。我们看到，纳米粒子只有几个纳米，孔隙是一个介孔材料，它的第一个性能就是它的热导率低于静止的空气，小于0.02W/(mk)，为什么？如果说热源从下面往上传递的话，要经过每一个纳米粒子的传递才能到达纳米粒子顶端。同时，因为它的纳米离子的孔隙是小于空气的平均分子自由程70纳米的，所以，这样的材料的热导率可以低于静止的空气。第二个性能，这个纳米多孔材料有高的比表面积，最高比表面积可以达到1000m2/g，相当于1g这样的材料可以铺满整个足球场。第三个性能，密度超低，在前期被叫做固体蓝烟，可以漂在空气中的固体材料，密度比较低。这样的低热导率、低浓度、高比表面的性能会有很多其他优越匹配的性能，还有他的AA级防火性能，纯无机的二氧化硅材料还具有低的折射率和介电常数等等。第二个，由于目前航空航天、国防军工、工业窑炉、新能源等军民领域诸多装备高性能化同时出现的严重绝热问题，结合国家双碳战略发展需求，极端环境绝热材料被 列为重点发展方向。简单介绍一下，左边的飞机叫X37B，气凝胶材料最早用在美国的航天飞机上的，现在逐渐地把这样一个高性能产品逐步转向民用，包括右上角的东风导弹目前也在用到，这样的高性能怎么用到我们的民用呢？
它的应用领域非常广泛，我们可以看一下它的应用领域。目前，这样的材料不仅在航空航天，包括高马赫飞行器、核潜艇，包括坦克导弹的红外野生保护以外，在石油石化管道也是一个大量使用的节能材料，它的节能率可以达到40%到60%，比传统的延绵、玻璃棉或者硅酸铝的材料更节能。这个材料早在十年前美国的阿斯彭公司已经成功地在美国跟欧洲已经大批量使用了，目前国内这边已经处于爆发的状态。另外，它的高比表性能可以用在水处理方面，也可以用在烟气的VOC的吸附方面，还可以用到太阳能、电池板的一些隔热、防热等等，还有新能源、民用的帐篷、隔热的衣服、保温的衣服、鞋子等等。由于它的应用领域特别广泛，这个材料受到了全球的关注。首先，从中国的政策来看，中国制造2025把气凝胶材料纳入到前沿性材料之一。第二个，2018年我国第一个气凝胶材料标准诞生，标准的诞生意味着这个材料将会大面积的使用。第一个国际标准是美国的，第二个是中国的。2019年产业结构的调整目录把气凝胶纳进去了，2021年、2022年中共中央科技部、发改委、工信等等重大的一些项目把气凝胶及其制品作为重点支持对象，这个也是针对碳达峰、碳中和的一个大的背景下，推广我们气凝胶材料。在这个大背景下，全国已经有18个省对气凝胶材料进行了一个相关政策的扶持。我们从这张图可以看到，气凝胶材料是上个世纪30年代被美国一个斯坦福大学的教授发明出来的，至今快一百年了。我们可以从四个方向看，第一个材料方向，第二个工艺方向，第三个学术研究，第四个产业行业。大家从这个箭头可以看出来，从最早的1931年发明二氧化硅气凝胶之后，经历了很长很长的阶段，从无人问津到Nasa到第一家公司的诞生，到全国的爆发，经历了很漫长的过程。从材料可以看出，最早只有二氧化硅气凝胶，但是随着材料的深入，它的应用领域不断地被挖掘。从二氧化硅气凝胶逐步有氧化物气凝胶、有机气凝胶、纤维素气凝胶、碳气凝胶、有机无机杂化气凝胶、金属气凝胶等等，可以说世界万物，如果有条件都可以把它做成气凝胶的结构。一旦结构变化之后，它的性能会产生一个翻天覆地的变化。比如现在的电极材料，我们也可以用碳气凝胶作为电极的负极材料，我们也在做相关研究。从干燥工艺来看，它也是一个溶胶—凝胶法，把里面的溶剂去除之后，留下一个固体的框架结构，那就可以成为一个固体材料，就可以进行应用。为什么最早它不能应用？因为它最早是乙醇的超临界干燥，高温高压特别的危险，首个工厂（一家瑞典工厂）前期就发生过一个大的爆炸，因此，那个时候这个材料突然间销声匿迹。他们讲这个材料虽然好，但是到产业化阶段的路还很长。所以，在工艺上从高温高压到后来的二氧化碳超临界，变成了低温高压设备，逐渐地稳定了它的生产工艺。从安全的角度讲，把温度降了四五十度，一个二氧化碳的超临界的温度，这样就有望实现产业化。再到后来的常温常压或者常压干燥，这样可以实现这个材料的连续化生产，把成本降到最低。再到现在的3D打印或者是定向冷冻法，这样可以塑造里面的三维结构，从这个材料工艺来讲，极大地推进了行业科学研究的一个进度。从学术研究和行业产业化来看，我们从这个小圈圈可以看出来，这个绿色的小圈圈代表的是专利。上个世纪，相当于2001年之前，基本上没什么专利。前段时间，当我们中国发展起来，美国跟咱们中国打官司，中国最后还是输了，但是在欧洲，中国没有输。到了2000年之后，中国的第一家公司钠诺科技诞生了。随着研究的爆发，技术的爆发，产品系列化的爆发，到了2010年之后，整个全球的科学研究、产业化全部大爆发。这个是大概的一个发展进程。右边是相关的高校的科研院所跟产业化公司，打蓝色框框的这个江苏安珈新材料公司是我们团队经过20年的基础研究，10年的中试放大研究，最后引来了投资，2020年也成功实现了规模化生产，并形成了稳定的客户和销售。这个是我们的公司，后面会简单介绍我们的产品。为什么气凝胶有这么大的政策推动？为什么这么多的研究团队去研究这东西？因为它背后有巨大的市场。我们从这个图上可以看出来，2016年之后到2025年的预测，市场容量是超乎想象的，建筑就有几千亿市场容量，绝热管道也有几百亿的市场容量，等等。但是，在新能源爆发之前这个数据不是很完善，所以说它最大的应用领域在哪里？大家万万没想到，第一个爆发的居然是我们的新能源行业。新能源行业在五年前还没有完全爆发，但是近五年来新能源完全爆发了，2020年气凝胶在新能源的市场大概是8000万，2021年三个亿，2022年7个亿，2023-2025年大概是两百到三百亿，市场一下子在新能源这边完全爆发出来。本来以为这个材料应该在管道或者是窑炉先爆发，结果新能源爆发了，因为在大的双碳背景下都在开发这样的材料。简单介绍一下我们的团队以及我们是怎样去做这个材料的。我们的团队有两位核心人物，一个是沈晓冬教授，一个是崔升教授。沈晓冬教授是中国绝热协会副会长、气凝胶分会的会长，气凝胶协会也是他主持创办的。崔升教授是协会的副秘书长、常务理事，也是气凝胶分会的副会长、秘书长。在这两位老师的带领下，我们团队从0到近20年、从中试到产业化到规模化生产、到系列化开拓做了很多的工作。我们团队还有很多的博士，还有国内外的知名专家对我们的项目的支持，正是由于他们的强烈支持，带来了我们系列化的很多方向的推进。我们刚才讲到了二氧化硅是隔热，随着纳米多孔的结构，性能挖掘是很深很深的，所以我们前期只做了氧化物气凝胶，硅、铝、锆，后面还有石墨烯、碳到碳化硅、二元三元等等系列，但是它在吸附、催化、载药或者传感、储能都有很大的应用前景。我们通过跟航天系统包括工程物理研究院、省人民医院的合作，慢慢地从隔热方向逐渐往吸附载药、催化或者是光谱调控等等方向不断地开拓，因为从发文章来讲，从科研来讲，隔热这个方向越来越难发文章，但是气凝胶这个结构可以挖掘很多的应用前景。第二个，我们的平台从最早跟航天系统建立相关的军工方面的一个极限材料或者超级绝热材料的研发，再到建筑行业的重点实验室，我们也是提前做了一个大的布局，占领了一个先机，做一个平台，用平台吸引人才，这是一个平台跟我们研究方向的一个开拓。这个展示了我们团队近20年来开发的各类气凝胶材料，从氧化物、无机、有机、杂化、耐高温、薄膜、石墨烯等等，每一样气凝胶有不同的用处。比如，氧化物气凝胶可以隔热，薄膜可以用在电子产品里面，石墨烯可以用在吸附领域，还可以用在催化等等。这是我们对近20年来很多的成果。我们团队近20年来获得的国家级、省部级、国防9732等等50余项目，也授权了70余项发明专利。目前，在气凝胶专利来讲，我们团队在搜索里面是排在前一二名的，先后获得了军民融合奖、教育部的技术发明奖、江苏省的技术奖等等。这是我们产业化的经历。从我们最早2021年进行中试放大，到在2020年大型产业化之前的一个中试产品的爆发式的中试放大，到最后正式投次投产。我们也做了一些协会的工作，组织、参与多届国际气凝胶会议，包括产业的创新发展大会，带动了全国气凝胶集体的共同发展。讲了这么多，讲了一下气凝胶和应用，然后回到我们今天大会的主题。我们成果转化的公司的产品已经开始大面积地使用了，包括宁德时代、比亚迪、福能、国轩等等都在用我们的产品。现在有个问题，新能源汽车处于冰火两重天的一个境界，为什么？第一个火是气凝胶的销量，它的产销量已经基本达到生产多少，就能卖多少，同比增长1.1倍，市场占有率24%，这个也是今年成为主要的市场增长点；第二个冰在哪里？现在汽车报道了很多一撞就炸，或者突然间起火，充电就爆炸，为什么会产生这样的问题？从现在的数据来看，右上角是我最近整理的数据。以前，宁德实在在电池行业80%到90%，但是这块蛋糕实在太大了，比亚迪、LG、中航、国轩已经迎头赶上，未来电池这一块我觉得肯定是一个多强的模式。这是相关的一些事故，不多讲了。有时候充电，高温等等引发了燃烧的现象，为什么？在座的很都是电池专家，不赘述了。我的理解是，很多是串联的模式，一旦一片燃烧会瞬间产生高温，能产生1200℃的高温，瞬间击穿电池引起串烧，一旦达到一定的能量之后就会爆炸，最快5秒钟就会爆炸，这就是爆炸的一个简单的原因。现在新能源用上气凝胶的只有10%不到，为什么？现在还在用传统的电池隔热材料，比如说泡沫板、超细玻璃棉、高硅氧棉甚至真空绝热板。我们比较一下，看一看泡沫板虽然便宜，但是它阻燃效果不好，燃烧的时候会有大量的烟雾，不耐老化。超细玻璃棉、高硅氧棉属于无机材料，它虽然可以用在新能源汽车里面，但是它的的厚度偏厚，影响电池的整个的装载量，现在电池要提高它的续航能力，它的承载能力，一定要超薄的。真空绝热板可以做得很薄，热导率做得很低，但是它的硬度和柔韧性会很差，一旦破损，它的材料就会失效，这是一个真孔绝热板有优点和缺点。但是，气凝胶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。现在比亚迪在用的是0.5毫米的隔热材料，我们也在供应相关的产品，它兼具了低的热导率、柔性、阻燃、超薄，还可以防水，这样一个气凝胶材料正好可以用到现在的电芯隔热，不占空间，还能达到最优的隔热效果，还可以防火防爆。这样的气凝胶材料能在电芯里面可以长期存在，目前已经存在了五年。未来会不会消失，这个不太好说，但是目前不用气凝胶材料还真不行，很多包括国轩、中航、宁德时代都在推气凝胶的材料。气凝胶主要用在汽车的哪个位置呢？用在动力电池的箱体、电芯模组、发动机机舱、高温管路、仪表台防火隔热层、电芯与电芯之间，主要的效果就是隔热、阻挡火焰、保温，延缓有毒有害气体的散发，也减少人员的伤亡，因为提升了他逃生的空间和时间。气凝胶不光是在小车上用，也在大巴车上，现在的宇通、比亚迪的一些公共汽车也在用到气凝胶材料。气凝胶材料目前分三代。最早是2016年宁德时代开发的一种材料叫预氧丝材料，预氧丝耐温是350℃，加PEPI膜或者PE膜加硅胶框的模式，这是气凝胶的第一代膜磨料。为什么封装？因为气凝胶材料是由纳米颗粒组成的，在车行驶过程中会振动，振动导致颗粒会掉，所以要膜封上以避免气凝胶失效。但是，这个材料成本高，硅胶框+膜+工艺太复杂。它的第二代叫喷涂工艺，直接在气凝胶上下表面喷耐高温的涂料涂层，这样的材料可以直接背胶粘到电芯与电芯之间进行组装，但是这两款材料都不耐高温，大概350到400℃；第三代材料叫陶纤和玻纤材料，一个超薄的产品已经大面积使用。但是，预氧丝还有车型在用，未来的方向肯定就是陶纤跟玻纤的一个大批量使用。下面的很多形态是我们的产品照片。因为不同汽车厂和不同电池厂的电池的组装、大小都不一样，我们可以根据我们的客户的需要进行定制，也很多种组合模式。前两天我们把这款产品也推到了头条上，我们南工大团队首先实现了一千度的陶瓷气凝胶在811电池上的使用，因为811电池现在还很不稳定，还没有大面积使用。这款材料是2019年宁德时代找我们做的，我们开发出来了，现在已经慢慢地用在811电池上，这个在国内外都是首款。这是第三方的权威检测，待会儿放一个视频大家看一下。这是当时拍的一个近照，还有一个几秒钟的图，做了一个对比。当时触发的时候测了一下温度，大概接近1200℃。这个电池在燃烧10分钟之后，火苗就渐渐消失了，我们一直在等20分钟、30分钟，它的电芯到底是什么样的状态。这个就是烧完之后的照片，右边是1200℃击穿之后已经完全烧毁了，左边这个电池是完全还可以正常导电运行的，当时这个测试的厚度是两个毫米，很薄的。目前，我们团队做了一些相关的产品，已经在吉利、福能、亿纬锂能、比亚迪的产品上进行规模化的应用，后期会有很多新的车型出来。最后，我总结一下。气凝胶材料这个产业从无到有，属于重大的原始创新，颠覆性的技术。我国气凝胶其实处于国际的并跑状态，在某些方面还是领跑状态。气凝胶材料也是中国少有的能跟国际抗衡的材料，也建立了气凝胶纳米材料的颠覆性的技术创新体系和产业体系，引领着气凝胶材料创新的应用。我想通过我们团队跟大家一起努力，把气凝胶材料做到能抗衡国外，国外做不了的，我们也能做。感谢各位专家和领导的聆听，请批评指正。
