دانش صنعت
مکانیسم های عایق حرارتی و ساختار نانو متخلخل فیلم های ایروژل
عملکرد عایق حرارتی استثنایی فیلم بسته بندی ضد شعله ایروژل از اسکلت سیلیسی نانومتخلخل آن سرچشمه می گیرد که هر سه حالت انتقال حرارت را سرکوب می کند. با قطر منافذ متمرکز بین 2 تا 50 نانومتر - به طور قابل توجهی کوچکتر از میانگین مسیر آزاد مولکولهای هوا در فشار محیط (تقریباً 70 نانومتر) - اثر نادسن مولکولهای گاز را در شبکه منفذی به دام میاندازد و رسانایی حرارتی گاز را به کمتر از 0.005 W/m کاهش میدهد. رسانایی فاز جامد توسط ستون فقرات سیلیسی بسیار پرپیچ و خم که زنجیره های ذرات به هم پیوسته آن یک مسیر حرارتی بیش از 100 برابر طولانی تر از ضخامت لایه ایجاد می کند، مانع می شود. انتقال حرارت تشعشعی از طریق ترکیب عوامل مات کننده مانند دی اکسید تیتانیوم یا نانوذرات کاربید سیلیکون که تابش مادون قرمز را در محدوده طول موج 2 تا 8 میکرومتر پراکنده می کنند به حداقل می رسد. هدایت حرارتی کلی حاصل از یک فیلم آئروژل با فرمول مناسب می تواند به 0.015-0.020 W/m·K در دمای اتاق باشد، مقداری که با فوم های پلیمری معمولی یا تشک های الیافی با ضخامت قابل مقایسه بی نظیر است.
نقش حیاتی توزیع اندازه منافذ در سرکوب انتقال حرارت
حفظ توزیع اندازه منافذ باریک برای عملکرد حرارتی ثابت در کل فیلم بستهبندی ضد شعله Airgel ضروری است. اگر کسری از منافذ بیش از 100 نانومتر باشد، جریانهای همرفتی موضعی میتوانند در حفرههای بزرگتر شروع شوند و مقاومت حرارتی مؤثر کلی را کاهش دهند. فرآیندهای تولیدی که بر خشک کردن فوق بحرانی CO2 یا خشک کردن فشار محیط با اصلاح سطح کنترل شده متکی هستند، تخلخل 90 تا 98 درصد را به دست میآورند در حالی که اندازه منافذ متوسط را زیر 40 نانومتر نگه میدارند. سطح ویژه به دست آمده، معمولاً 600-1000 متر مربع بر گرم که توسط جذب نیتروژن BET اندازه گیری می شود، به طور مستقیم با راندمان عایق حرارتی و تاخیر در شعله همبستگی دارد، زیرا سطح داخلی بالا باعث تشکیل ذغال می شود و گازهای قابل احتراق را در هنگام قرار گرفتن در معرض آتش رقیق می کند.
عملکرد سد آتش در سناریوهای انتشار فرار حرارتی
در ماژولهای باتری انرژی جدید، فرار حرارتی یک سلول واحد میتواند در عرض چند ثانیه به یک رویداد فاجعهبار در سطح بسته تبدیل شود. فیلم بسته بندی بازدارنده شعله ایرژل به عنوان یک لایه میانی آتش شکن عمل می کند که انتقال حرارت بین سلولی را به اندازه کافی به تاخیر می اندازد تا سیستم های مدیریت باتری اقدامات حفاظتی را فعال کنند. هنگامی که در پروتکل آزمایش UL 2596 در معرض شعله پروپان 600 درجه سانتیگراد قرار می گیرد، یک لایه هواژل با ضخامت 1.0 میلی متر دمای صورت سرد را به مدت بیش از 10 دقیقه زیر 180 درجه سانتیگراد حفظ می کند، در حالی که ماتریس سیلیکا از نظر ابعادی بدون ذوب شدن یا چکیدن ثابت می ماند. این عملکرد ناشی از غیر قابل احتراق ذاتی سیلیس و توانایی فیلم برای تشکیل یک مانع منسجم سرامیکی است که هم برخورد شعله همرفتی و هم جریان گرما رسانا را از طریق تماس مستقیم ذره به ذره مسدود می کند.
| مواد | هدایت حرارتی (W/m·K) | رتبه بندی UL 94 | ضخامت معمولی (میلی متر) | چگالی (g/cm³) |
| فیلم بسته بندی ضد شعله ایروژل | 0.015-0.020 | V-0 | 0.2-2.0 | 0.10-0.25 |
| ورق میکا | 0.20-0.35 | V-0 | 0.5-3.0 | 1.8-2.5 |
| کاغذ الیاف سرامیکی | 0.08-0.15 | V-0 | 1.0-5.0 | 0.15-0.30 |
قابلیت سفارشی سازی و ساخت پوشش سطحی
Anhui Yanhe New Material Co., Ltd.، واقع در سایتی به مساحت 17 هکتار در منطقه توسعه اقتصادی Guangde غرب، از سال 2012 مواد برچسب زنی ویژه، نوارهای کاربردی برای صنعت الکترونیک و محصولات چسب برای مواد مختلف فیلم کاربردی را توسعه و تولید کرده است. این شرکت پوششهای سطحی مربوطه را بر اساس نیازهای عملکردی سطوح مختلف مشتریان اعمال میکند و امکان تولید فیلم بستهبندی بازدارنده شعله ایرژل سفارشی با خواص سطحی دقیق مهندسی شده را فراهم میکند. این شرکت از طریق همکاری با دانشگاهها و مؤسسات تحقیقاتی علمی در داخل و خارج از کشور، از فناوریهای پیشرفته تحقیق و توسعه مواد جدید و قابلیتهای تولید سفارشی برای ارائه راهحلهای یکپارچه برای مواد کاربردی استفاده میکند. این زیرساخت اجازه استفاده از پوششهای محافظ سفارشی را میدهد که چالشهای محیطی خاصی را که در بستههای باتری خودروهای الکتریکی و سیستمهای ذخیره انرژی با آن مواجه میشوند، برطرف میکند.
گزینه های پوشش عملکردی برای افزایش دوام محیطی
فیلم ایروژل پایه را می توان لمینیت یا با لایه های کاربردی مختلف پوشش داد. یک پوشش نازک فلوروپلیمر آبگریزی را با زوایای تماس آب بیش از 130 درجه ایجاد می کند و از جذب رطوبت جلوگیری می کند که در غیر این صورت عملکرد حرارتی را در محیط های مرطوب به خطر می اندازد. برای کاربردهایی که به مقاومت در برابر سایش شدید نیاز دارند، می توان از یک پوشش سخت پر شده با UV استفاده کرد که سختی مداد را تا 6H یا بیشتر افزایش می دهد و از فیلم در برابر سایش در هنگام قرار دادن سلول و مونتاژ ماژول محافظت می کند. پوششهای آلومینیومی یا مسی فلزی را میتوان بهطور انتخابی از طریق رسوب فیزیکی بخار برای ایجاد یک لایه محافظ تداخل حرارتی و الکترومغناطیسی ترکیبی استفاده کرد و در عین حال که ویژگیهای سبک وزن فیلم را حفظ میکند، کمتر از 10 میکرومتر به ضخامت کل اضافه میکند.
یکپارچگی مکانیکی و انعطاف پذیری فشاری در مونتاژ ماژول
ویژگی های سبک وزن و مقاومت بالا فیلم بسته بندی ضد شعله ایرژل در هنگام مونتاژ ماژول باتری بسیار مهم است، جایی که فاصله بین سلولی اغلب به کمتر از 1 میلی متر کاهش می یابد تا چگالی انرژی حجمی به حداکثر برسد. علیرغم تخلخل بالا، شبکه سیلیکا ایروژل تقویت شده با یک حامل تشک فیبر غیر بافته (معمولا الیاف شیشه یا PET) مدول فشاری 0.5-5 مگاپاسکال را نشان می دهد و می تواند بیش از 90٪ از ضخامت اولیه خود را پس از فشرده شدن به کرنش 50٪ به مدت 24 ساعت در دمای 60 درجه سانتیگراد بازیابی کند. این انعطافپذیری فشردهسازی تضمین میکند که فیلم عایق حرارتی و الکتریکی بین سلولهای مجاور را حتی پس از صدها چرخه شارژ-تخلیه که باعث انبساط و انقباض جزئی محفظههای سلولی میشود، حفظ میکند. استحکام کششی فیلم، معمولاً در محدوده 1 تا 5 مگاپاسکال، استحکام حمل و نقل کافی را برای تبدیل رول به رول و مونتاژ خودکار انتخاب و جابجایی بدون پاره شدن یا ریزش فیبر که میتواند اتصالات باتری را آلوده کند، فراهم میکند.
سازگاری با سیستم های شیمیایی باتری و الکترولیت
محیط شیمیایی درون بسته باتری، الزامات سازگاری طولانی مدتی را ایجاد می کند که بسیاری از مواد عایق مبتنی بر آلی نمی توانند برآورده شوند. فیلم بسته بندی ضد شعله ایرژل مقاومت دمایی بالایی را تا 600 درجه سانتیگراد در اتمسفر اکسیداتیو و تا 1000 درجه سانتیگراد در شرایط بی اثر نشان می دهد، در حالی که شیمی سیلیس آن ذاتاً در برابر اسید هیدروفلوئوریک که می تواند از تجزیه الکترولیت LiPF6 تشکیل شود، مقاوم است. تست های پیری تسریع شده که در آن فیلم در مخلوطی از کربنات اتیلن، دی متیل کربنات و 1M LiPF6 در دمای 85 درجه سانتی گراد به مدت 500 ساعت غوطه ور می شود، از دست دادن جرم ناچیز و عدم تخریب قابل تشخیص در هدایت حرارتی را نشان می دهد. خواص ضد خوردگی شیمیایی به سیالات خنک کننده معمولی، روغن های دی الکتریک و حلال های پاک کننده گسترش می یابد و از پایداری و دوام فیلم در طول عمر باتری خودروهای الکتریکی یا تاسیسات ذخیره انرژی ثابت اطمینان حاصل می کند.
- سیلیکا ایروژل در برابر مکانیسم های تخریب اکسیداتیو که باعث شکنندگی فوم های پلی الفین می شود، نفوذ ناپذیر است و انعطاف مکانیکی خود را در هزاران چرخه حرارتی حفظ می کند.
- این فیلم حاوی مواد بازدارنده شعله هالوژنه نیست و خطر تولید محصول جانبی خورنده را در هنگام قرار گرفتن در معرض قوس الکتریکی یا گرمایش پایدار از بین می برد.
- ماتکنندههای اکسید فلزی که در ماتریکس آئروژل ادغام شدهاند، بهعنوان جاذبکنندههای اسید عمل میکنند و گونههای اسیدی کمی را که ممکن است از الکترولیت تخریبشده در فیلم نفوذ کنند، خنثی میکنند.
- فیلم بسته بندی بازدارنده شعله ایرژل سفارشی را می توان با یک لایه فویل آلومینیومی نازک فرموله کرد که هم به عنوان یک مانع گاز و هم به عنوان محافظ شعله اضافی بدون آسیب رساندن به مشخصات سبک وزن عمل می کند.
استراتژی های یکپارچه سازی با سیستم های مدیریت حرارتی
در بستههای باتری خودروهای الکتریکی، فیلم بستهبندی ضد شعله آئروژل به ندرت به عنوان یک راه حل مستقل استفاده میشود. در عوض، صفحات خنک کننده مایع، مواد تغییر فاز، و کانال های خنک کننده هوا را تکمیل می کند. یک طراحی رایج، لایه ایروژل را به عنوان یک پوشش در اطراف سلولهای منشوری منفرد یا جداکنندههای بین لایهای بین ردیفهای سلولی قرار میدهد و گرما را به سمت رابط خنککننده هدایت میکند و همزمان از انتشار شعله جانبی جلوگیری میکند. ماهیت تراکم پذیر این فیلم به آن اجازه می دهد تا با پدهای حرارتی پرکننده شکاف ترکیب شود که گرما را به سیستم خنک کننده هدایت می کند در حالی که لایه ایروژل از تداخل حرارتی جلوگیری می کند. سازندگان می توانند الگوهای دایک برش را با برش ها و شکاف های دقیق مشخص کنند که اتصالات شینه و ویژگی های تهویه را در خود جای می دهد و امکان ادغام یکپارچه در خطوط مونتاژ خودکار را فراهم می کند. توانایی تهیه این رول های تبدیل سفارشی به طور مستقیم از یک مرکز تخصصی تبدیل تضمین می کند که طراحان بسته می توانند اجزای آماده برای نصب را به جای ورق خام دریافت کنند، که باعث کاهش پردازش در محل و خطرات کیفیت می شود.
