การใช้ผ้าสักหลาด Airgel แบบไฟเบอร์พรีออกซิไดซ์ในแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่

ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่ (NEV) ความปลอดภัย การออกแบบน้ำหนักเบา และความสามารถในการปรับตัวของแบตเตอรี่พลังงานให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง กลายเป็นข้อกำหนดหลักสำหรับการยกระดับอุตสาหกรรมในขอบเขตของนวัตกรรมวัสดุแบตเตอรี่ เส้นใยแอโรเจลแบบพรีออกซิไดซ์—ซึ่งรวมความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและการหน่วงการติดไฟของเส้นใยพรีออกซิไดซ์เข้ากับคุณสมบัติของฉนวนความร้อนที่เหนือกว่าของแอโรเจล—ให้ผลการทำงานร่วมกัน ("1+1>2")วัสดุคอมโพสิตนี้เอาชนะข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของวัสดุป้องกันแบตเตอรี่แบบเดิม โดยให้คุณค่าที่ขาดไม่ได้ในด้านที่สำคัญ เช่น การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่และการป้องกันความปลอดภัยบทความนี้สำรวจคุณลักษณะคอมโพสิตหลักของสักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลที่ถูกออกซิไดซ์ล่วงหน้า วิเคราะห์การใช้งานเฉพาะและข้อได้เปรียบทางเทคนิคภายในชุดแบตเตอรี่ NEV และให้ภาพรวมเกี่ยวกับการพัฒนาในอนาคต

I. ลักษณะคอมโพสิตแกนกลางของไฟเบอร์เจลแอโรเจลที่ผ่านการออกซิไดซ์: ตรงตามข้อกำหนดหลักของแบตเตอรี่กำลัง

รู้สึกว่าไฟเบอร์แอโรเจลถูกออกซิไดซ์ล่วงหน้าเป็นวัสดุฉนวนความร้อนชนิดยืดหยุ่นที่ประกอบด้วยเส้นใยพรีออกซิไดซ์และแอร์เจล.เส้นใยพรีออกซิไดซ์ทำหน้าที่เป็นโครงร่างที่ให้การสนับสนุนโครงสร้างและเป็นรากฐานสำหรับการหน่วงไฟ ในขณะที่แอโรเจลทำหน้าที่เป็นตัวกลางฉนวนหลัก ซึ่งให้ประสิทธิภาพการเป็นฉนวนความร้อนที่ยอดเยี่ยมการทำงานร่วมกันระหว่างส่วนประกอบทั้งสองนี้ส่งผลให้เกิดชุดคุณลักษณะหลักที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมการทำงานของแบตเตอรี่กำลังประการแรก มันให้ประสิทธิภาพฉนวนกันความร้อนที่ยอดเยี่ยมค่าการนำความร้อนของเส้นใยแอโรเจลก่อนออกซิไดซ์สามารถต่ำได้ถึง 0.018–0.024 W/(m·K) ซึ่งเหนือกว่าวัสดุฉนวนแบบดั้งเดิมอย่างมาก เช่น ใยแก้วหรือใยหิน ทำให้สามารถต้านทานความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงแม้จะมีโปรไฟล์ที่บางมากก็ตามประการที่สอง ให้ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและหน่วงการติดไฟได้ดีเยี่ยมด้วยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของเส้นใยพรีออกซิไดซ์ ซึ่งสามารถทนต่อการสัมผัสอุณหภูมิ 250°C–300°C ในระยะยาวโดยไม่ละลายหรือหยด เมื่อรวมกับคุณสมบัติอนินทรีย์ตามธรรมชาติและทนความร้อนของแอโรเจล วัสดุคอมโพสิตนี้ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงถึง 800°Cด้วยดัชนีออกซิเจนที่เกิน 45% จึงจัดเป็นวัสดุที่ไม่ติดไฟ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับการป้องกันความร้อนที่ไหลออกจากแบตเตอรี่ในแบตเตอรี่ได้อย่างสมบูรณ์แบบประการที่สาม มีข้อได้เปรียบด้านน้ำหนักเบาอย่างมากด้วยความหนาแน่นเพียง 0.12–0.18 กรัม/ซม.³ ซึ่งต่ำกว่าวัสดุป้องกันแบบดั้งเดิม เช่น โลหะหรือเซรามิก มาก ซึ่งช่วยลดน้ำหนักชุดแบตเตอรี่ได้อย่างมาก จึงช่วยขยายระยะทางของยานพาหนะประการที่สี่ มีความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยมและสามารถปรับตัวกระบวนการได้สามารถตัดและโค้งงอได้เพื่อรองรับโครงสร้างที่ซับซ้อนของชุดแบตเตอรี่ ซึ่งติดตั้งได้ง่ายในพื้นที่ที่ไม่ปกติ เช่น พื้นผิวด้านในของตัวเครื่อง หรือช่องว่างระหว่างโมดูลนอกจากนี้ ยังมีความทนทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมีที่เหนือกว่า ป้องกันความเสียหายจากการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ที่อาจเกิดขึ้น และรับประกันความเสถียรในการทำงานในระยะยาว

ครั้งที่สองสถานการณ์การใช้งานเฉพาะสำหรับผ้าสักหลาด Airgel แบบไฟเบอร์ออกซิไดซ์ล่วงหน้าในแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่

(I) ชั้นป้องกันการไหลหนีความร้อนหลักสำหรับชุดแบตเตอรี่: สิ่งกีดขวางที่สำคัญต่อการแพร่กระจายความร้อน

การหนีความร้อนแสดงถึงความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรงที่สุดสำหรับแบตเตอรี่จ่ายไฟเมื่อแบตเตอรี่ประสบกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเกิดจากปัญหาต่างๆ เช่น การชาร์จไฟเกิน การลัดวงจร หรือการกระแทกทางกายภาพ แบตเตอรี่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ รวมถึงการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และการดีอินเทอร์แคลเลชันของลิเธียมไอออนจากแคโทดกระบวนการนี้ปล่อยความร้อนจำนวนมหาศาล (โดยมีอุณหภูมิทันทีทันใดที่อาจเกิน 600°C) พร้อมกับก๊าซพิษ ทำให้เกิดความเสี่ยงสูงที่จะเกิดไฟไหม้หรือการระเบิดด้วยฉนวนกันความร้อนที่โดดเด่นและความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง ผ้าสักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลที่ถูกออกซิไดซ์ทำหน้าที่เป็นวัสดุป้องกันที่สำคัญในการป้องกันการแพร่กระจายความร้อนใช้เป็นหลักสำหรับกั้นกันไฟระหว่างโมดูลแบตเตอรี่ ชั้นฉนวนภายในเปลือกแบตเตอรี่ และเกราะป้องกันรอบวาล์วป้องกันการระเบิดเมื่อวางระหว่างโมดูลแบตเตอรี่ซึ่งมีความหนาเพียง 3–5 มม. วัสดุนี้จะปิดกั้นความร้อนเข้มข้นที่ปล่อยออกมาจากโมดูลที่ประสบปัญหาความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ โดยลดการถ่ายเทความร้อนได้มากกว่า 80%วิธีนี้จะช่วยป้องกันไฟไม่ให้ลุกลามอย่างรวดเร็วไปยังโมดูลที่อยู่ติดกัน ซื้อเวลาอันมีค่าเพื่อให้ผู้โดยสารหลบหนี เพื่อให้ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) แจ้งเตือน และสำหรับการใช้มาตรการทำความเย็นในกรณีฉุกเฉินการบุด้านในของกล่องแบตเตอรี่ด้วยวัสดุนี้ช่วยลดผลกระทบของอุณหภูมิภายนอกที่เย็นต่อการทำงานของแบตเตอรี่ในช่วงฤดูหนาว (ซึ่งช่วยเพิ่มระยะในสภาพอากาศหนาวเย็น) ในขณะเดียวกันก็กักเก็บความร้อนภายในในระหว่างเหตุการณ์ความร้อนหนีความร้อน ป้องกันไม่ให้ตัวถังโลหะของยานพาหนะเสียรูปหรือติดไฟนอกจากนี้ การใช้วัสดุนี้กับวาล์วป้องกันการระเบิดยังช่วยลดเปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูงและก๊าซพิษเมื่อวาล์วเปิดเพื่อปล่อยแรงดัน ลดความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายต่อส่วนประกอบอื่นๆ ของยานพาหนะและเป็นอันตรายต่อผู้โดยสาร ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยโดยรวมของชุดแบตเตอรี่ในท้ายที่สุด

(II) ฉนวนความร้อนเสริมสำหรับระบบการจัดการความร้อนของชุดแบตเตอรี่: การปรับปรุงประสิทธิภาพและช่วงการควบคุมอุณหภูมิ

ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่กำลังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงานที่มั่นคงเป็นอย่างมาก (อุณหภูมิที่เหมาะสมคือระหว่าง 25°C ถึง 40°C)การสัมผัสกับความร้อนจัดในฤดูร้อนหรือความเย็นเยือกแข็งในฤดูหนาวอาจทำให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลง ลดระยะการขับขี่ และสิ้นเปลืองพลังงานมากขึ้นด้วยคุณสมบัติของฉนวนความร้อนที่เหนือกว่า สักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลที่ถูกออกซิไดซ์ล่วงหน้าจึงสามารถทำหน้าที่เป็นวัสดุฉนวนเสริมภายในระบบการจัดการความร้อนของชุดแบตเตอรี่ได้ ตัวอย่างเช่น โดยการพันช่องแลกเปลี่ยนความร้อนของ HVAC หรือเป็นฉนวนสำหรับผนังด้านล่างและด้านข้างของชุดแบตเตอรี่ในฤดูร้อน การใช้เจลไฟเบอร์แอโรเจลพรีออกซิไดซ์กับผนังด้านข้างและฐานของชุดแบตเตอรี่สามารถป้องกันความร้อนภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ว่าจะมาจากรังสีแสงอาทิตย์หรือการนำไฟฟ้าจากพื้นผิวถนน ไม่ให้เข้าไปในชุดแบตเตอรี่ซึ่งจะช่วยลดภาระการทำความเย็นในระบบปรับอากาศ จึงช่วยประหยัดพลังงานแบตเตอรี่ที่อาจนำไปใช้ในการควบคุมอุณหภูมิในฤดูหนาว วัสดุนี้สามารถใช้เพื่อพันท่อแลกเปลี่ยนความร้อนของชุดแบตเตอรี่ เพื่อลดการสูญเสียความร้อนจากสารหล่อเย็นซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำความร้อนของเครื่องทำความร้อน PTC (ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก) ลดระยะเวลาที่ต้องใช้ในการอุ่นแบตเตอรี่ และลดการสูญเสียความร้อนของแบตเตอรี่เอง ช่วยรักษาการทำงานของแบตเตอรี่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำข้อมูลการทดลองบ่งชี้ว่าการใช้ฉนวนกันความร้อนที่ครอบคลุมสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่ใช้สักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลพรีออกซิไดซ์สามารถเพิ่มระยะของยานพาหนะได้ 10%–15% ในสภาพแวดล้อมที่เย็น (-20°C) และ 5%–8% ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง (สูงกว่า 35°C)

(III) ฉนวนความร้อนและฉนวนไฟฟ้าสำหรับสายรัดไฟฟ้าแรงสูงและแถบแบตเตอรี่: การลดความเสี่ยงของความร้อนสูงเกินไปเฉพาะที่

ภายในชุดแบตเตอรี่ของรถยนต์พลังงานใหม่ ส่วนประกอบต่างๆ เช่น สายรัดไฟฟ้าแรงสูงและแถบแบตเตอรี่สามารถสร้างความร้อนเฉพาะที่ในระหว่างการชาร์จและการคายประจุที่มีภาระสูงนอกจากนี้ยังมีความเสี่ยงที่ความล้มเหลวของฉนวนอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้สักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลที่ผ่านการออกซิไดซ์ซึ่งมีฉนวนกันความร้อน ฉนวนไฟฟ้า และคุณสมบัติหน่วงไฟ สามารถแปรรูปเป็นแผ่นหรือปลอกบางๆ ได้ ทำให้เหมาะสำหรับการพันชุดสายไฟแรงสูงและปกป้องบริเวณฐานของแถบแบตเตอรี่การหุ้มชุดสายไฟแรงสูงในปลอกสักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลแบบออกซิไดซ์ไม่เพียงแต่ป้องกันความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานไม่ให้แพร่กระจายไปยังเซลล์แบตเตอรี่ที่อยู่ติดกันเท่านั้น—จึงหลีกเลี่ยงอุณหภูมิสูงเฉพาะที่ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง—แต่ยังทำหน้าที่เป็นทางเลือกที่ดีกว่าฉนวน PVC แบบดั้งเดิมอีกด้วยซึ่งช่วยเพิ่มทั้งความเป็นฉนวนไฟฟ้าและความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงของสายรัด ลดความเสี่ยงของความล้มเหลวของฉนวนที่เกิดจากการเสื่อมสภาพหรือการสัมผัสกับความร้อนสูงนอกจากนี้ การใช้แผ่นสักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลพรีออกซิไดซ์บางๆ ที่ฐานของแถบแบตเตอรี่ยังช่วยแยกออกจากส่วนประกอบที่เป็นโลหะ เช่น ฉากยึดโมดูลซึ่งจะช่วยป้องกันการลัดวงจรที่เกิดจากการสึกหรอที่เกิดจากแรงสั่นสะเทือน ในขณะเดียวกันก็ปิดกั้นการถ่ายโอนความร้อนจากเซลล์แบตเตอรี่ไปยังการเชื่อมต่อแท็บไปพร้อมๆ กัน ป้องกันความต้านทานต่อการสัมผัสที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง และช่วยให้มั่นใจว่าการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่มีความเสถียร

(IV) การป้องกันชุดแบตเตอรี่สำหรับสถานการณ์เฉพาะ: การปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

สำหรับยานพาหนะพลังงานใหม่ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น พื้นที่ทะเลทรายที่มีอุณหภูมิสูง สภาพอากาศหนาวเย็น หรือพื้นที่เหมืองแร่ ชุดแบตเตอรี่ต้องเผชิญกับข้อกำหนดการป้องกันที่เข้มงวดมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญความสามารถของไฟเบอร์แอโรเจลแบบออกซิไดซ์ที่รู้สึกได้ว่าทนทานต่อสภาวะที่รุนแรงทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเฉพาะทางเหล่านี้ในพื้นที่ทะเลทรายที่มีอุณหภูมิสูง การติดตั้งแผ่นใยแอโรเจลพรีออกซิไดซ์ที่หนาขึ้นบนชุดแบตเตอรี่จะช่วยเพิ่มฉนวนกันความร้อนจากแสงแดดโดยตรง ป้องกันไม่ให้อุณหภูมิภายในพุ่งสูงกว่า 60°Cในพื้นที่หนาวเย็นและเย็น การห่อหุ้มชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดด้วยวัสดุนี้จะสร้างแผงกั้นความร้อนที่มีประสิทธิภาพซึ่งช่วยลดการสูญเสียความร้อน โดยทำงานควบคู่กับระบบการจัดการความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้คงที่สำหรับยานพาหนะที่ใช้ในเหมืองแร่หรือการก่อสร้าง ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะเกิดการชนกัน การใช้แผ่นใยแอโรเจลพรีออกซิไดซ์ที่ด้านล่างและด้านหน้าของชุดแบตเตอรี่จะช่วยลดแรงกระแทกระหว่างที่มีการกระแทกเล็กน้อยนอกจากนี้ ในกรณีที่การชนกันทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุด วัสดุจะทำหน้าที่เป็นอุปสรรคอย่างรวดเร็วในการป้องกันการแพร่กระจายของความร้อน ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัย

ที่สามความท้าทายในการใช้งานและทิศทางการพัฒนาในอนาคต

แม้ว่าเส้นใยแอโรเจลแบบพรีออกซิไดซ์จะให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับแบตเตอรี่ในรถยนต์พลังงานใหม่ (NEV) แต่ยังมีความท้าทายหลายประการเกี่ยวกับการใช้งานประการแรกต้นทุนการผลิตสูงกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนสำหรับแอโรเจลส่งผลให้ราคาสูงกว่าวัสดุฉนวนความร้อนแบบดั้งเดิมอย่างมาก ซึ่งจำกัดการใช้จำนวนมากในรถยนต์รุ่นเริ่มต้นและระดับกลางประการที่สอง ความเสถียรของวัสดุที่พอดีภายใต้การสั่นสะเทือนในระยะยาว ซึ่งเป็นสภาวะปกติของการทำงานของยานพาหนะ จำเป็นต้องมีการปรับปรุงการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องอาจทำให้เกิดช่องว่างระหว่างวัสดุและตัวเรือนแบตเตอรี่หรือโมดูล ส่งผลให้ประสิทธิภาพของฉนวนความร้อนลดลง

เมื่อมองไปข้างหน้า ขณะที่กระบวนการผลิตของแอโรเจลมีวิวัฒนาการ (เช่น ผ่านการใช้เทคโนโลยีการทำแห้งด้วยความดันแวดล้อมอย่างกว้างขวาง) และการผลิตก็เพิ่มขึ้น ต้นทุนของสักหลาดแอโรเจลแบบไฟเบอร์ที่ออกซิไดซ์ล่วงหน้าก็คาดว่าจะลดลง ซึ่งอาจช่วยให้สามารถใช้งานได้ในทุกกลุ่มยานพาหนะนอกจากนี้ การพัฒนาเทคโนโลยีการยึดเกาะแบบคอมโพสิตขั้นสูงยังช่วยเพิ่มการยึดเกาะของวัสดุกับโครงสร้างของแบตเตอรี่ ทำให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือที่มากขึ้นตลอดการใช้งานในระยะยาวนอกจากนี้ เพื่อให้สอดคล้องกับแนวโน้มของอุตสาหกรรมที่มีต่อการออกแบบ NEV ที่ "น้ำหนักเบาและบูรณาการ" เส้นใยแอโรเจลแบบพรีออกซิไดซ์สามารถนำมารวมกับวัสดุที่อยู่อาศัยของชุดแบตเตอรี่เพื่อสร้างโซลูชันแบบครบวงจรที่ให้ทั้งฉนวนกันความร้อนและการรองรับโครงสร้างสิ่งนี้จะช่วยลดน้ำหนักของแบตเตอรี่และเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานอีกด้วยในขณะที่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีดำเนินต่อไป ผ้าสักหลาดไฟเบอร์แอโรเจลที่ออกซิไดซ์ล่วงหน้าก็พร้อมที่จะกลายเป็นวัสดุหลักสำหรับการป้องกันความปลอดภัยและการจัดการความร้อนในแบตเตอรี่พลังงาน NEV ซึ่งให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการพัฒนาคุณภาพสูงของอุตสาหกรรม