Основные выводы:
1. Системы наноогнестойких покрытий для аккумуляторов ЭП объединяют три функциональных слоя — аэрогельную наноизоляцию (0,013–0,018 Вт/мК, 1300°C/2ч), вспучивающееся огнестойкое покрытие (1200°C, 51% задержки теплового разгона), керамизирующуюся силиконовую резиновую герметизацию (1300°C/>30 мин).
2. Керамический аэрогельный «брандмауэр» Нанкинского технологического университета толщиной всего 0,09 дюйма (2,3 мм), выдерживающий воздействие 1000°C в течение 5 мин, удерживает температуру обратной стороны ниже 100°C — внедрён в серийное производство CATL, BYD, Xiaomi SU7.
3. GB 38031-2025 требует ≥5 минут времени на эвакуацию после теплового разгона; будущие нормы нацелены на 120 минут — что переводит наноогнестойкие материалы из разряда «опциональных» в «обязательные».
Распространение электромобилей превратило «тепловой разгон батареи» из темы лабораторных испытаний безопасности в предмет общественной обеспокоенности. Когда литий-ионные батареи вызывают тепловой разгон из-за внутренних коротких замыканий, перезаряда или механических повреждений, температура отдельных элементов может резко подскочить до 600–1000°C в течение секунд, вызывая цепные реакции в соседних элементах через теплопроводность, излучение и выброс горячих частиц. Наноизоляционные огнестойкие покрытия для аккумуляторных батарей электромобилей представляют собой основную систему материалов для создания тепловых барьеров между элементами и модулями.
Физика распространения теплового разгона — насколько жёсткие требования предъявляются к рабочей среде?
Прямой ответ: Пиковые температуры теплового разгона одиночной ячейки достигают 800–1200°C (NКМ-литий трехкомпонентный: до 1200°C; LFP: ~600–800°C), длительностью от 30 секунд до нескольких минут. Огнезащитные покрытия между соседними ячейками должны сохранять структурную целостность и изолирующую функцию под воздействием пламени и потока газов высокой температуры не менее 1000°C — что намного превышает условия эксплуатации традиционных строительных огнезащитных покрытий (обычно <800°C/30мин).
Три пути распространения теплового пробоя: (1) Теплопроводность — блокируется наноизоляционными прокладками со сверхнизкой теплопроводностью между ячейками (аэрогель или нанокомпозит SUPHIP®, 0,013–0,04 Вт/м·К — 1/5000 от алюминиевого сплава). (2) Тепловое излучение — тепловой поток излучения с поверхности ячейки при 1200 °C составляет ~200 кВт/м², блокируется ИК-отражающими/поглощающими нанонаполнителями (TiO₂, ATO, SiC) в изоляционных покрытиях. (3) Выброс горячих частиц — открытие предохранительного клапана высвобождает пары электролита и расплавленные металлические частицы при высокой температуре (>660 °C Al, >1085 °C Cu), блокируется вспучивающимся покрытием, расширяющимся в 20–50 раз с образованием пористого обугленного слоя.
Поддержка данными: GB 38031-2025 требует: после инициирования теплового разгона отсутствие открытого пламени или взрыва в течение ≥5 минут. UN GTR No.20 и EU ECE R100.03 имеют аналогичные требования. Регламенты нового поколения (прогнозируемые на 2027–2028 гг.) нацелены на 30–120 минут времени для эвакуации — что требует качественного скачка в характеристиках огнезащитного покрытия.
Источники: GB 38031-2025, UN GTR No.20, IDTechEx Fire Protection Materials Report 2025
Четырёхслойная наноогнезащитная архитектура
Слой 1: Теплоизоляционное ядро из наноаэрогеля. Аэрогель SiO2 — «твёрдый дым» — наименьшая теплопроводность среди известных твёрдых тел (0,013–0,018 Вт/м·К), пористость >95%, размер пор 2–50 нм (меньше средней длины свободного пробега воздуха ~70 нм, эффективно подавляя газовую теплопроводность). Прорыв 2025 года Нанкинского технологического университета: (1) сушка сверхкритическим CO2 с повторным использованием этанола на 99,5%, снижающая себестоимость производства >50%; (2) армирование волокном и проектирование упругой структуры (упругое восстановление >90%), решающие проблему хрупкости традиционного аэрогеля — способен выдерживать повторяющиеся циклы расширения/сжатия ячейки.
Слой 2: Вспучивающееся огнезащитное покрытие. Система EP/MAP-Cu (эпоксидная смола/модифицированный полифосфат аммония-ионы меди) — передовое исследование, поддержанное NSFC в 2025-2026 гг. Принцип работы: разложение MAP при высокой температуре → фосфорная кислота катализирует карбонизацию эпоксидной смолы → Cu2+ катализирует сшивание углеродного слоя → толщина углеродного слоя в 20-50 раз больше исходного покрытия. Эксперимент: покрытие 1,5 мм при воздействии пламени бутана 1200°C, температура обратной стороны всего 93°C (снижение роста температуры на 36%), начало теплового разгона задержано на 51%.
Слой 3: Керамизирующее кремнийорганическое каучуковое покрытие. Под воздействием пламени 800–1300°C нано-слюда/каолиновые наполнители и платиновый катализатор в кремнийорганическом каучуке действуют синергетично: разложение боковой цепи силикона → остаток SiO2 спекается с нано-наполнителями, образуя плотную керамическую защитную оболочку — in-situ трансформация из гибкого эластомера в жёсткий керамический барьер. Тест на проникновение пламени 1300°C в течение >30 мин с нулевым отказом.
Источники: Нанкинский технологический университет/Interesting Engineering (2025), NAGASE SUPHIP®, MDPI Gels (окт. 2025)
Часто задаваемые вопросы
В: Сколько веса добавляет наноогнезащитное покрытие к батарейному блоку?
Поверхностная плотность аэрогелевой теплоизоляционной прокладки: ~200–400 г/м²; батарея 80 кВт·ч (~200 элементов, площадь межэлементных зазоров ~8 м²): дополнительная масса ~1,6–3,2 кг — менее 1% от общей массы батареи. Вспучивающееся покрытие добавляет ~0,5–1,0 кг. Наказание по массе незначительно по сравнению с получаемым выигрышем в пожарной безопасности.
Q: Влияет ли огнезащитное покрытие на теплоотвод аккумулятора?
Проектирование наноизоляционного покрытия нацелено на «направленную изоляцию» — блокирование межъячеечного распространения теплового пробоя (нормальное направление) без влияния на обычные пути теплоотвода (тангенциальное направление) на дне или боковых сторонах ячейки. Избирательное нанесение покрытия (только между большими гранями ячеек) обеспечивает точное управление тепловым режимом.
Нужно ли покрытие с огнезащитными свойствами для батарей LFP?
Да. Несмотря на то что термическая стабильность LFP (LiFePO4) выше, чем у NCM/NCA (начало ~250°C против 180°C, пик ~600–800°C против 1000–1200°C), после начала теплового разгона ячейки LFP также выбрасывают горячие газы и частицы. Риск распространения на уровне модуля всё же сохраняется. Системы на базе LFP могут использовать относительно более тонкие покрытия (1–2 мм против 2–4 мм для NCM).
Ссылки: GB 38031-2025, Нанкинский технологический университет (2025), NAGASE SUPHIP®, MDPI Gels (октябрь 2025), IDTechEx 2025-2035
Опубликовано: 6 июля 2026 г. | Рубрика: Технические знания