万创杂谈：揭开气凝胶的神秘面纱
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动力电池安全问题亟待解决
在2022世界动力电池大会上，中国科学技术大学教授孙金华对媒体表示：“新能源汽车起火概率，要高于燃油车”。为了印证自己的观点，孙金华分享了一组数据。
在2021年度，全国发生电动汽车火灾事故3000余起，根据接近800万辆的“纯电动”新能源汽车保有量计算，着火概率约为0.03% ，而传统燃油车年火灾事故率为0.01%-0.02%。国家应急管理部公布的2022年一季度新能源汽车火灾数据，共计640起，同比上升32%，高于交通工具火灾平均8.8%的增幅，平均每日超7例火灾。
图注：黑色横轴以上的反应均为放热反应，以电解液燃烧情况最为危险
从起火原因来看，主要包括电池部件老化、外部碰撞、高温天气、电池热失控、高负荷等。而新能源车普遍安装于底盘的动力电池在磕碰后不易察觉，火灾起势快，较难扑灭，危险性高。
新能源车安全问题愈发突出，行业问题亟待解决，新能源安全正加速由“幕后”走到“台前”。气凝胶成为解决新能源安全问题的一大重点。
▲图源直观学机械
气凝胶，英文叫Aerogel，意味着飞行的凝胶，之所以称它可以“飞行”，就是因为它的超低密度，常见的硅气凝胶的密度仅为空气密度的3倍，被称之为“冻住的烟”，而浙大高超教授制备全碳气凝胶更是刷新了气凝胶材料密度新记录，密度仅每立方厘米0.16毫克，是空气密度的六分之一。
气凝胶应运而生
气凝胶如此神奇，但它的诞生却源于一场打赌。
1931年，美国科学家Kistler与Charles Learned打赌：看谁能够将凝胶内的液体换成气体同时不使固体结构发生变化。
两个科学家的“打赌”，成就了一场科学界的“奇迹”，气凝胶这种神奇的材料，被制备了出来！
如今，气凝胶的制备技术已有极大地提升，制备技术分为湿凝胶制备和凝胶干燥两个过程。其核心在于克服表面张力的作用下，将凝胶中的溶剂去除，同时保持凝胶三维纳米网络结构不被破坏。
▲图源化工新材料
为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏，通过超临界干燥工艺处理，把凝胶置于压力容器中加温升压，使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体，气液界面消失，表面张力不复存在，从而得到气凝胶，另外一种常压干燥工艺，通过低表面能的溶剂填充凝胶孔隙结构、一定化学改性手段，降低干燥过程中的固液面表面张力制备气凝胶。
随着超临界技术的成熟，诸多物质形成的凝胶经过超临界干燥后，都能够得到不同成分的气凝胶，使得气凝胶家族越来越庞大，更有学者称：气凝胶与其说是一种新型材料，不如说是一种脱离于固液气之外的新物质状态。
气凝胶有哪些应用
气凝胶作为一种纳米多孔材料,具有纳米颗粒构成的连续三维纳米多孔网络结构,赋予其低密度、高孔隙率、高比表面积、大孔体积等特性，其在力学、热学、电学、光学、声学等方面均表现出独特的性能，一开始其应用，就备受美国宇航局等高端玩家的关注。
气凝胶最初被广泛应用于航空航天、军事工业等高端技术领域，美国的“火星探路者”运载火箭和俄罗斯的“和平”号空间站，都采用了硅气凝胶作为隔热保护材料；在“中国空间站”、“神舟载人飞船”、“祝融号火星车”、“长征系列火箭”等中国航天领域，气凝胶也得到了广泛应用。
▲图源武汉中科先进研究院
随着中国经济转型升级及实施国家纳米材料战略， 绝热性能突出、技术成熟的硅气凝胶在我国已经实现了产业化，也逐步走向民用市场。比如：开采石油时，为了保持石油的流动性，就需要实现管道保温，如果在石油管道外层包裹气凝胶，只需要2cm厚，就能够在输送过程中实现保温，降低能耗损失。
除此以外，随着新能源汽车的快速发展，气凝胶在新能源汽车电池方面起到了“防火墙”的作用。
新能源汽车动力电池是由许多独立电芯通过并联或串联形成的电池模组，当新能源汽车充电时，电能将储存在每个电芯内部。一旦某一个电芯由于外部穿刺或者内部缺陷引起短路，其内储存的能量会被瞬时释放出来，转变为大量热能。如果电芯与电芯之间没有隔离措施，那么短路可能扩散，热失控累加到散热系统无法承受，引起连锁反应，短时间内引燃整个电池组。所以，用在电芯之间的绝缘、隔热、阻燃材料至关重要。
▲图源知乎
气凝胶刚好是同时兼具绝佳的绝缘、隔热、阻燃效果的一种材料。
将气凝胶填充于电芯与电芯之间，绝缘、隔热、阻燃它们同时发挥着各自作用，即使个别电芯热失控，散热系统可以快速地将温度控制在燃点以下，有效的控制热失控，电池组就不会轻而易举被“点燃”；即使有一块电芯被“点燃”了，由于包裹着电芯的材料具有非常强的隔热、阻燃防护性能，能耐受住火焰造成的高温能量瞬间冲击，控制燃烧传播，不会连锁反应“牵连”到电池中的其他电芯，从而为汽车驾乘人员争取更长的逃生时间。
另一方面，在寒冷的冬季，因为气凝胶对电芯有着绝佳的保温效果，所以还能防止电动车因天气过冷而导致电池续航能力降低。
气凝胶的发展前景
根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027年二氧化硅气凝胶行业市场投资空间及企业IPO上市环境综合评估报告》显示，气凝胶作为新材料之一，与传统材料相比，具有效率高、使用寿命长、轻量化等优势，在新能源汽车、海洋工程、航空航天、国防军事等高科技产业中应用广泛。
近年来，全球气凝胶市场需求不断增长，预计到2030年，全球气凝胶市场规模将突破40.0亿美元。二氧化硅气凝胶作为气凝胶市场细分产品，具有产业化程度高、技术成熟等优势，占据气凝胶市场近七成的份额。
我国为功能性硅烷生产大国，近年来在政策支持支持下，我国功能性硅烷产能持续扩张。2021年我国功能性硅烷产能突破55.0万吨，占据全球总产能的61.3％。随着原材料供给进一步扩大，我国气凝胶产量不断提升。
随着我国研发技术不断突破创新，气凝胶应用领域逐渐扩展。在市场需求带动下，气凝胶市场、行业规模将不断扩大。伴随政府政策支持以及经济快速发展，气凝胶作为新型轻质纳米固态材料，将拥有广阔市场前景。
本文来自微信公众号“万创投行”（ID:wanchuangtouhang），作者：万创杂谈，36氪经授权发布。
