Навіщо модулям електричних батарей потрібні аерогелеві ізоляційні прокладки?

Коли один елемент батареї електромобіля потрапляє в теплову зону, тепло може поширюватися на сусідні елементи й перетворювати локалізовану несправність на пожежу на рівні модуля.

Найефективнішим пасивним рішенням є розміщення валідованої ізоляційної прокладки з аерогелю між сусідніми осередками або іншими критичними шляхами теплопередачі. Аерогель забезпечує високу термостійкість при відносно невеликій товщині, що робить його привабливим для компактних, енергоємних батарейних модулів електромобілів.

Зразки кремнеземного аерогелю демонструють високопористу структуру, пов’язану з теплоізоляційними характеристиками. Джерело зображення: NASA Science^[1].

Чому аерогелеві прокладки встановлюються між елементами акумулятора EV?

Без ефективного міжклітинного теплового бар’єру тепло від несправної сумки або призматичної клітини може досягти сусідньої клітини достатньо швидко, щоб викликати поширення тепла.

Встановлення прокладки з аерогелю між сусідніми осередками збільшує термічний опір і сповільнює кондуктивний теплообмін. Це дає модулю більше часу для контролю події за допомогою структурної ізоляції, вентиляції, охолодження, електричного захисту та стратегій керування акумулятором.

У рецензованому дослідженні 2023 року літій-іонних акумуляторних модулів із високим вмістом нікелю було виміряно теплопровідність приблизно 0,020 Вт/(м·К) для перевіреного листа аерогелю з кремнезему за кімнатної температури. Дослідники виявили, що достатнє шарування аерогелю може пригнічувати розповсюдження теплового потоку в їхній конкретній конфігурації мішечно-коміркового модуля.^[2]

Аерогель цінний, оскільки розробники батарей завжди борються за міліметри. Товстий звичайний бар’єр може зменшити корисний об’єм упаковки, тоді як тонкий високоефективний тепловий бар’єр може допомогти зберегти щільність енергії, не залишаючи сусідні клітини безпосередньо підданими впливу викиду.

Як аерогелеві прокладки допомагають зупинити розповсюдження тепла?

Якщо ізоляція лише затримує нагрівання на кілька секунд, але не може підтримувати температуру сусідньої комірки нижче критичної, теплова віддача може тривати через весь модуль.

Правильною метою є не просто використання аерогелю, а використання достатнього перевіреного теплового опору для реальної хімії клітини, стану заряду, стиснення та геометрії модуля. Аерогель слід розглядати як частину повної системи контролю розповсюдження тепла.

У дослідженні за 2025 рік Journal of Energy Storage протестовано механічно зміцнений силікатний аерогель, нанесений між потрійними осередками пакета. У цій випробувальній конфігурації 2 мм аерогель успішно запобіг передачі тепла , тоді як зразок 1 мм сповільнив поширення, але не запобіг йому в умовах випробування.^[3]

Це не означає, що кожна батарея електромобіля потребує прокладки товщиною 2 мм. Це показує, чому інженерам ніколи не слід вибирати товщину аерогелю лише із загальної таблиці. Різні клітини можуть виділяти дуже різну кількість тепла під час теплової втечі.

UL Solutions оцінює розповсюдження тепла від батареї електромобілів на рівнях елементів, модулів і блоків, а також враховує ефективність бар’єрів для запобігання розповсюдженню та ізоляційних матеріалів. Цей підхід до тестування відображає важливий інженерний принцип: лише дані про матеріал не можуть підтвердити безпеку акумуляторної батареї.^[4]

Як має бути специфікована аерогелева ізоляційна прокладка?

Купівля аерогелевої подушечки лише за теплопровідністю та ціною може спричинити невдачу стиснення, недостатній тепловий захист, нестабільність розмірів або невдачу перевірки батареї на останньому етапі.

Правильним рішенням є визначення товщини, термічного опору, поведінки при стисненні, діелектричних характеристик, допуску на розміри, довговічності та вимог до інтеграції разом. Остаточна прокладка має бути перевірена за реальних умов акумуляторного модуля, а не лише за кімнатної температури.

SAE J2464 містить вказівки щодо тестування на зловживання для електричних і гібридних транспортних засобів, що перезаряджаються, накопичувачів енергії на рівнях осередків, модулів і пакетів. Це посилює необхідність оцінювати поведінку акумуляторної системи за умов, що виходять за межі нормального робочого діапазону, а не покладатися лише на специфікації матеріалів.^[5]

Аерогель також не може замінити дизайн вентиляційних отворів, охолодження, запобіжник, переривання струму, моніторинг BMS, структурний захист або ізоляцію високої напруги. Тепловий розгін може передавати енергію через поверхні клітин, шини, охолоджувальні пластини, рами модулів, гарячі гази, полум'я та електричні провідники.

Потрібен зразок ізоляційної прокладки з аерогелю для акумуляторного модуля електромобіля?

Надішліть хімічний склад комірки, розміри комірки, доступний зазор, цільову товщину, вимоги до стиснення, креслення модуля, цільову перевірку термічного розбігу та річний обсяг для попереднього аналізу матеріалу та структури.

FAQ

Використання загальної специфікації аерогелю без випробування модуля може створити хибне відчуття безпеки та спричинити дорогий перепроектування після випробування на поширення тепла.

Використовуйте ці відповіді як інженерну відправну точку, а потім перевірте остаточну структуру ізоляції в фактичному модулі батареї.

Що робить аерогелева прокладка в акумуляторі електромобіля?

Аерогелева прокладка збільшує термічний опір між клітинами, уповільнюючи передачу тепла від несправної клітини та допомагаючи зменшити ризик розповсюдження тепла від клітини до клітини.

Чи може аерогель повністю зупинити розліт акумулятора електромобіля?

Ні. Аерогель не може запобігти виходу з ладу кожної клітини. Правильно розроблений бар’єр може допомогти зупинити або затримати розповсюдження в перевіреному модулі, але безпека батареї все одно залежить від охолодження, вентиляції, електричного захисту, конструкції, датчиків і стратегії керування.

Якої товщини має бути аерогелевий акумулятор?

Універсальної товщини не існує. Правильне значення залежить від хімічного складу клітини, енергії, стану заряду, інтервалу, стиснення, інтенсивності розбіжності, доступного простору в упаковці та необхідного тесту на поширення.

Чи кращий аерогель за слюду для акумуляторів електромобілів?

Не в кожному додатку. Аерогель привабливий завдяки високому термічному опору в обмеженому просторі, тоді як слюда може забезпечити міцну електроізоляцію та структурну стабільність. У деяких конструкціях акумуляторів для електромобілів поєднуються різні матеріали для досягнення теплового та діелектричного захисту.

Чи забезпечує аерогелева прокладка також електроізоляцію?

Це може залежно від повного матеріалу конструкції. Інженери повинні перевірити фактичну діелектричну міцність, поверхневі шари, стан краю, товщину, вплив вологи та робочу напругу, а не припускати, що кожна аерогелева прокладка забезпечує однакову електричну ізоляцію.

Заключна експертна рекомендація

Базуючись на 15-річному досвіді автомобільної електропроводки та електричної інтеграції електромобілів, я рекомендую оцінити аерогелеву прокладку разом із акумуляторними елементами, шинами, високовольтною джгутом, датчиками температури, охолоджувальною пластиною, роз’ємами, системою запобіжників і корпусом. Тепловий розгін не слідує лише одному шляху, тому найбезпечнішим модулем батареї є той, який перевірений як повна електрична, теплова та механічна система.

Для зразка аерогелевої ізоляційної прокладки, огляду теплового бар’єру батареї, оцінки прототипу або спеціального проекту ізоляції електромобілів надайте креслення свого модуля та технічні вимоги, перш ніж заморозити специфікацію матеріалу.

Авторитетні посилання

[1]NASA Science — Зразки аерогелю

[2]Безпека технологічного процесу та захист навколишнього середовища — придушення розповсюдження тепла за допомогою аерогелю з кремнезему

[3]Journal of Energy Storage — Механічно посилений кремнеземний аерогель для запобігання розповсюдженню теплового потоку

[4]Рішення UL — випробування зловживань батареями електромобілів, вогню та розповсюдження тепла

[5]SAE International — SAE J2464 Тестування RESS на безпеку та зловживання