科技日报记者 金凤
一片只有A4纸大小、硬币厚度，轻若无物的隔热片，在关键时刻却能成为守护生命的“安全卫士”。
在4月初举行的第十四届储能国际峰会暨展览会上，南京工业大学教授沈晓冬团队展示的一款新材料，引发众人关注。这便是全球首款可耐受1300℃高温的新能源锂离子电池用高热阻气凝胶隔热片。
“锂离子电池可谓新能源汽车和储能系统的‘心脏’。电池一旦热失控，单个电芯温度可在五六秒内急剧攀升甚至引发爆炸，所以迅速阻断高温向相邻电芯传递至关重要。”沈晓冬双手包裹住一片隔热片，向科技日报记者演示，如果把双手看作两片相邻的电芯，那么气凝胶隔热片就是电芯间的“防火墙”。
沈晓冬在20多年的光阴里，带领团队通过调控气凝胶网络结构，提升干燥技术，完善加工工艺，将气凝胶隔热片的耐温性从最初的650℃，提升到如今的1300℃，热隔绝时间延长至2小时。
目前，这些“安全卫士”已经广泛应用于高温窑炉、航空航天以及宁德时代、比亚迪、阳光电源、小米汽车等企业的动力电池中。
耐高温又隔热
气凝胶是一种轻质绝热材料。在扫描电镜下，它呈现出由无数纳米颗粒编织而成的立体网络结构。“这张网约99%的空间由空气填充。”沈晓冬指着电脑屏幕上一张电子显微照片解释，“空气在这张网内被困住‘手脚’无法移动，所以气凝胶的热导率比空气还低，这让它成为材料界的‘隔热之王’。”
与生俱来的“天赋”，让气凝胶在锂离子电池中找到了“存在感”。“电池内部空间寸土寸金，这要求隔热材料既轻薄，又隔热耐温，气凝胶便有了用武之地。”沈晓冬介绍，几年前，国内头部新能源汽车厂商探索将气凝胶应用到电芯间隔热，但当时的隔热片只能承受300℃的温度，而电芯燃烧或者爆炸时的瞬间温度往往在650℃甚至1000℃以上。
“当时厂商一度要放弃气凝胶这条技术路线。”此前已经将气凝胶应用于热力管道保温、航天等领域的沈晓冬向厂商自荐，要为气凝胶争取一个证明自己的机会。
“要让气凝胶耐受1000℃以上的高温，就要让纳米孔骨架更结实，纳米颗粒间结合得更紧密。”团队核心成员、南京工业大学教授崔升和同事先是向原材料中加入氧化物，试图让气凝胶更结实、不坍塌，但却发现隔热性能下降了。
“能否增加纳米颗粒的比表面积，抑制热传导？”团队核心成员、南京工业大学教授孔勇查遍文献无果，抱着试试看的心态，向原材料中添加催化剂，但气凝胶经过干燥后体积大幅缩小，隔热性能比原来更差。
此路不通，团队回到起点。孔勇又重新审视催化剂的酸碱度。几经调试终于发现，偏酸性的条件下，颗粒之间的结合力较弱，所以气凝胶结构不牢固。他将催化剂调成碱性值更大时，骨架稳固了，成型后的气凝胶也能保持稳定结构了。
“纳米颗粒之间就像用胶水黏着一样，既保证了气凝胶的隔热性，又提高了耐温性。”孔勇说，最终团队研发的2.3毫米厚的气凝胶隔热片，可以在一面承受1000℃的高温5分钟后，另一面温度不超过100℃。
低成本“干湿分离”
制备气凝胶，材料是基础，过程是关键。“高效超临界干燥技术便是极难掌握的关键过程。”沈晓冬介绍。
所谓超临界干燥，是将湿凝胶中的溶剂用处于超临界状态的二氧化碳从纳米孔中“萃取”出来，再缓慢泄压，使其变为气态逸出，从而让纳米孔内仅留下空气且结构完好无损，最终得到气凝胶。
然而，早期超临界干燥技术仅能满足实验室需求。产业界既缺乏完善设备，又因工艺不成熟导致制备效率低。无经验可循、无产业支撑，沈晓冬团队的探索之路充满考验。
“气凝胶很脆，没法单独使用。必须借助基材的结构强度。”因此，团队将含有大量酒精和水的湿凝胶溶液浸到陶瓷纤维中，放进干燥釜里，原本预计仅需2至4小时就能干燥好，但十几个小时后还是湿漉漉，生产效率极低。
如何让湿凝胶迅速干透，成为首当其冲的难题。团队核心成员、江苏珈云新材料有限公司总经理滕凯明领衔开启了一场系统性攻关：首先降低湿凝胶含水量，将酒精纯度提升至95%以上，以提高二氧化碳的萃取效率；随后又历时一年多，设计出多种柔性透气隔网，优化了气凝胶毡层间二氧化碳流场分布、强化了二氧化碳的扩散传输通道，使得超临界二氧化碳更快速进入凝胶的纳米空隙中，与孔内的酒精进行高效传质。
干燥釜内的压力控制同样不容小觑。快速泄压虽能提升生产效率，但压力震荡对纳米孔的冲击会导致气凝胶开裂破碎。于是团队尝试每10分钟泄压一次，逐步摸清泄压快慢与纳米孔保持率之间的最佳平衡点。
成本控制是超临界干燥的另一道坎。每一次超临界干燥，都会从湿凝胶中萃取出大量酒精。
“这些酒精是不是可以作为原材料回收利用？”滕凯明看到了开源节流的契机。他们又花了大约两年时间，开发了一套工艺，先针对酒精中的不同杂质加入化学药剂进行预处理，破坏其与酒精的互溶关系，再通过精馏提纯，最终实现乙醇回收率超99.5%，仅原料成本便降低了一半以上。
弹性压缩超90%
工艺稳定性问题解决后，实际应用场景又带来新问题。传统二氧化硅气凝胶是典型的脆性材料，一捏就碎。但新能源电池、储能电池在充放电时，就像“呼吸”一样，会不断膨胀、收缩，对气凝胶形成反复挤压。如何让气凝胶柔软可压缩，又能在压缩后保持回弹和支撑性，同时还能不破坏纳米孔，构成一个“不可能三角”。
这一次的破题灵感，来自气凝胶的“亲戚”——硅橡胶。硅橡胶能在-100℃至300℃的宽泛温度范围内保持弹性，且物理性能变化极小。
“能否仿照硅橡胶的分子构型，将气凝胶从刚性结构变成弹性结构？”孔勇提出这一构想，并带领团队进行“微型手术”，通过选择性“敲除”纳米孔网格的部分连接节点，让整张网相对松散、更Q弹。
孔勇打了个比方：“这类似搭脚手架，如果每根钢管和连接件都严丝合缝，整个作业平台就都很稳固；但松开其中几个连接件，平台就会摇晃一些，出现滑移，但又不会散架。”
“敲除”是个精细活。多了，整个网络散架，耐高温和高效隔热就无从谈起；少了，材料又硬邦邦。
孔勇和团队一次次地通过催化剂的用量和种类，调试反应溶液的酸碱度，为气凝胶纳米孔生长过程中的水解—聚合反应提供温和可控的环境，使气凝胶骨架长成一种长链的、相对松散自由的形态，气凝胶弹性压缩超90%而结构和性能依然没有被破坏。
历经多年技术迭代，沈晓冬团队已经研发出碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼等多种耐高温气凝胶隔热材料。2025年，江苏珈云新材料有限公司实现销售收入2亿余元。
“十五五”规划纲要提出，加快新能源、新材料等战略性新兴产业发展，这让沈晓冬对未来充满期待：“我们将加强基础研究和产业化进程，推动气凝胶隔热材料从新能源电池的‘高端选配’变为‘主流必配’，同时探索开拓其在消防、商业航天、太空算力等领域的应用，推动建立中国的气凝胶纳米材料产业体系。”
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