Зачем аккумуляторным модулям электромобилей нужны изоляционные прокладки из аэрогеля?

Когда одна ячейка аккумуляторной батареи электромобиля выходит из-под контроля, тепло может распространиться на соседние ячейки и превратить локальный отказ в пожар на уровне модуля.

Наиболее эффективным пассивным решением является размещение проверенной изоляционной прокладки из аэрогеля между соседними ячейками или другими важными путями теплопередачи. Аэрогель обеспечивает высокое термическое сопротивление при относительно небольшой толщине, что делает его привлекательным для компактных и энергоемких аккумуляторных модулей для электромобилей.

Образцы кремнеземного аэрогеля демонстрируют высокопористую структуру, связанную с теплоизоляционными характеристиками. Источник изображения: НАСА Наука^[1].

Почему между аккумуляторными элементами электромобилей устанавливаются аэрогелевые прокладки?

Без эффективного теплового барьера между ячейками тепло от неисправного пакета или призматической ячейки может достичь соседней ячейки достаточно быстро, чтобы вызвать неконтролируемое распространение тепла.

Установка прокладки из аэрогеля между соседними ячейками увеличивает термическое сопротивление и замедляет кондуктивную теплопередачу. Это дает модулю больше времени для контроля над событием посредством структурной изоляции, вентиляции, охлаждения, электрической защиты и стратегий управления батареями.

Рецензируемое исследование модулей литий-ионных аккумуляторов с высоким содержанием никеля, проведенное в 2023 году, показало, что теплопроводность 0,020 Вт/(м·К) . тестируемого листа кремнеземного аэрогеля при комнатной температуре составила около Исследователи обнаружили, что достаточное количество слоев аэрогеля может подавить неконтролируемое тепловое распространение в их конкретной конфигурации модуля «мешочек».^[2]

Аэргель ценен тем, что инженеры по производству аккумуляторов всегда борются за миллиметры. Толстый традиционный барьер может уменьшить полезный объем упаковки, а тонкий высокоэффективный тепловой барьер может помочь сохранить плотность энергии, не оставляя соседние ячейки непосредственно подверженными неконтролируемому эффекту.

Как подушечки из аэрогеля помогают остановить распространение термического неконтроля?

Если изоляция задерживает тепло только на несколько секунд, но не может поддерживать температуру соседнего элемента ниже критической, тепловой разгон может продолжаться по всему модулю.

Правильная цель — не просто использовать аэрогель, а использовать достаточное проверенное термическое сопротивление для реального химического состава клеток, состояния заряда, сжатия и геометрии модуля. Аэрогель следует рассматривать как часть комплексной системы контроля распространения тепла.

В исследовании 2025 года Journal of Energy Storage был протестирован механически армированный войлок из кремнеземного аэрогеля между тройными ячейками-мешочками. В этой тестовой конфигурации аэрогель толщиной 2 мм успешно предотвратил неуправляемую передачу тепла , тогда как образец толщиной 1 мм задержал распространение, но не предотвратил его в условиях испытаний.^[3]

Это не означает, что для каждой батареи электромобиля требуется прокладка толщиной 2 мм. Это показывает, почему инженерам никогда не следует выбирать толщину аэрогеля только на основе общей таблицы. Различные элементы могут выделять разное количество тепла во время теплового выхода из-под контроля.

Компания UL Solutions оценивает распространение тепла в батареях электромобилей на уровне элементов, модулей и блоков, уделяя особое внимание эффективности барьеров, препятствующих распространению тепла, и изоляционных материалов. Такой подход к тестированию отражает важный инженерный принцип: одни только данные о материалах не могут доказать безопасность аккумуляторной батареи.^[4]

Как следует выбирать изоляционную прокладку из аэрогеля EV?

Покупка аэрогелевой подушки только по теплопроводности и цене может привести к сбою сжатия, недостаточной тепловой защите, нестабильности размеров или сбою проверки батареи на поздней стадии.

Правильное решение — указать вместе толщину, термическое сопротивление, характеристики сжатия, диэлектрические характеристики, допуски на размеры, долговечность и требования к интеграции. Последняя площадка должна быть проверена в реальных условиях батарейного модуля, а не только при комнатной температуре.

SAE J2464 содержит рекомендации по проведению испытаний на злоупотребления для аккумуляторных систем хранения энергии электрических и гибридных автомобилей на уровне ячеек, модулей и блоков. Это усиливает необходимость оценивать поведение аккумуляторной системы в условиях, выходящих за пределы нормального рабочего диапазона, а не полагаться только на характеристики материалов.^[5]

Аэрогель также не может заменить конструкцию вентиляционных отверстий, охлаждение, плавку, прерывание тока, мониторинг BMS, структурную защиту или изоляцию высокого напряжения. Тепловой выход может передавать энергию через поверхности ячеек, шины, охлаждающие пластины, каркасы модулей, горячие газы, пламя и электрические проводники.

Нужен образец аэрогелевой изоляционной прокладки для аккумуляторного модуля электромобиля?

Отправьте химический состав ячейки, размеры ячейки, доступный зазор, целевую толщину, требования к сжатию, чертеж модуля, целевой показатель проверки температурного неконтроля и годовой объем для предварительного анализа материала и структуры.

Часто задаваемые вопросы

Использование общей спецификации аэрогеля без тестирования модуля может создать ложное ощущение безопасности и вызвать дорогостоящую модернизацию конструкции после испытаний на распространение тепла.

Используйте эти ответы в качестве отправной точки при проектировании, а затем проверьте окончательную структуру изоляции в реальном батарейном модуле.

Что делает аэрогелевая подушечка в аккумуляторе электромобиля?

Подушечка из аэрогеля увеличивает тепловое сопротивление между ячейками, замедляя передачу тепла от неисправной ячейки и помогая снизить риск неконтролируемого распространения тепла от ячейки к ячейке.

Может ли аэрогель полностью остановить перегрев аккумулятора электромобиля?

Нет. Аэргель не может предотвратить отказ каждой клетки. Правильно спроектированный барьер может помочь остановить или задержать распространение вируса в проверенном модуле, но безопасность батареи по-прежнему зависит от охлаждения, вентиляции, электрической защиты, конструкции, датчиков и стратегии управления.

Какой толщины должна быть подушка для аэрогелевого аккумулятора?

Универсальной толщины не существует. Правильное значение зависит от химического состава клеток, энергии, состояния заряда, расстояния, степени сжатия, степени выхода из-под контроля, доступного места в упаковке и требуемого теста на распространение.

Лучше ли аэрогель для аккумуляторов электромобилей, чем слюда?

Не в каждом приложении. Аэрогель привлекателен своей высокой термостойкостью в ограниченном пространстве, а слюда может обеспечить надежную электроизоляцию и структурную стабильность. В некоторых конструкциях аккумуляторов для электромобилей сочетаются несколько материалов для обеспечения как тепловой, так и диэлектрической защиты.

Обеспечивает ли аэрогелевая подушечка электрическую изоляцию?

Может, в зависимости от полного материала конструкции. Инженеры должны проверить фактическую диэлектрическую прочность, поверхностные слои, состояние кромок, толщину, воздействие влаги и рабочее напряжение, а не предполагать, что каждая прокладка из аэрогеля обеспечивает одинаковую электрическую изоляцию.

Заключительная экспертная рекомендация

Основываясь на 15-летнем опыте работы с автомобильными жгутами и электрической интеграцией электромобилей, я рекомендую оценить аэрогелевую подушку вместе с аккумуляторными элементами, шинами, высоковольтными жгутами, датчиками температуры, охлаждающей пластиной, разъемами, системой предохранителей и корпусом. Термический разгон не происходит только по одному пути, поэтому самым безопасным аккумуляторным модулем является тот, который проверен как целостная электрическая, тепловая и механическая система.

Для образца изоляционной прокладки из аэрогеля, проверки теплового барьера батареи, оценки прототипа или индивидуального проекта изоляции электромобиля предоставьте чертеж вашего модуля и технические требования, прежде чем заморозить спецификацию материала.

Авторитетные ссылки

[1]Наука НАСА — Образцы аэрогеля

[2]Безопасность процесса и защита окружающей среды — подавление неконтролируемого распространения тепла с помощью листов кремнеземного аэрогеля

[3]Журнал хранения энергии — механически армированный кремнеземный аэрогель для подавления неконтролируемого распространения тепла

[4]Решения UL — злоупотребление батареями электромобилей, испытания на распространение огня и тепла

[5]SAE International — SAE J2464 Тестирование безопасности RESS и злоупотреблений