Kết luận cốt lõi:
1. Hệ thống lớp phủ chống cháy nano cho pack pin EV tích hợp ba lớp chức năng——lớp cách nhiệt nano aerogel (0,013-0,018W/mK, 1300°C/2h), lớp phủ chống cháy trương nở (1200°C, trì hoãn mất kiểm soát nhiệt 51%), lớp đóng gói silicone gốm hóa (1300°C/>30phút).
2. "Tường lửa" aerogel gốm của Đại học Công nghệ Nam Kinh chỉ dày 0,09 inch (2,3mm), phơi dưới 1000°C/5 phút, nhiệt độ mặt sau dưới 100°C——đã được CATL, BYD, Xiaomi SU7 áp dụng sản xuất hàng loạt.
3. GB 38031-2025 bắt buộc yêu cầu pack pin sau khi mất kiểm soát nhiệt phải có ≥5 phút thoát nạn, mục tiêu quy chuẩn thế hệ sau kéo dài đến 120 phút——thúc đẩy vật liệu chống cháy nano từ "tùy chọn" thành "bắt buộc".
Sự phổ biến của xe điện đã biến "mất kiểm soát nhiệt pin" (Thermal Runaway) từ đề tài thử nghiệm an toàn trong phòng thí nghiệm thành rủi ro thực tế được công chúng quan tâm. Khi pin lithium-ion bị kích hoạt mất kiểm soát nhiệt do đoản mạch bên trong, sạc quá mức hoặc hư hại cơ học, nhiệt độ của một cell pin đơn có thể tăng vọt lên 600-1000°C trong vài giây, và kích hoạt phản ứng dây chuyền của các cell lân cận thông qua ba con đường: dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và phun hạt nhiệt độ cao — tức là "lan truyền mất kiểm soát nhiệt" (Thermal Runaway Propagation). Sơn chống cháy cách nhiệt nano cho bộ pin xe điện là hệ vật liệu cốt lõi xây dựng rào cản nhiệt giữa các cell pin và giữa các mô-đun.
Cơ chế vật lý của sự lan truyền mất kiểm soát nhiệt — lớp phủ chống cháy cần hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt đến mức nào?
Trả lời trực tiếp:Nhiệt độ đỉnh điểm khi một cell pin mất kiểm soát nhiệt có thể đạt 800-1200°C (pin lithium ba nguyên NCM có thể đạt 1200°C, LFP sắt phốt phát khoảng 600-800°C), thời gian kéo dài từ 30 giây đến vài phút. Lớp phủ chống cháy giữa các cell pin liền kề cần duy trì tính toàn vẹn cấu trúc và chức năng cách nhiệt dưới tác động của ngọn lửa và luồng khí nóng ít nhất 1000°C, ngăn chặn truyền nhiệt sang cell liền kề gây mất kiểm soát nhiệt dây chuyền. Yêu cầu này vượt xa điều kiện làm việc của sơn chống cháy xây dựng truyền thống (thường <800°C/30 phút).
Cơ chế chi tiết — Ba con đường lan truyền mất kiểm soát nhiệt.(1)Dẫn nhiệt — Vỏ pin nhiệt độ cao truyền nhiệt sang các pin lân cận thông qua tiếp xúc trực tiếp hoặc linh kiện dẫn nhiệt (thanh cái nhôm, thanh cái đồng). Chiến lược ngăn chặn: Lắp đệm cách nhiệt nano có hệ số dẫn nhiệt cực thấp giữa các pin (khí gel hoặc vật liệu composite nano SUPHIP®, hệ số dẫn nhiệt 0.013-0.04W/mK, chỉ bằng 1/2-1/4 không khí tĩnh, bằng 1/5000 nhôm hợp kim).(2)Bức xạ nhiệt — Mật độ dòng bức xạ nhiệt từ bề mặt pin 1200°C có thể đạt khoảng 200kW/m² (định luật Stefan-Boltzmann Q=εσT⁴, giả sử ε=0.8). Chiến lược ngăn chặn: Thêm chất độn nano phản xạ/hấp thụ hồng ngoại vào lớp phủ cách nhiệt nano (TiO₂ nano, ATO, SiC).(3)Phun hạt nhiệt độ cao — Sau khi van an toàn của pin mất kiểm soát nhiệt mở, phun ra hơi điện giải nhiệt độ cao, lá nhôm nóng chảy (>660°C) và hạt lá đồng (>1085°C). Chiến lược ngăn chặn: Lớp phủ chống cháy giãn nở nhanh chóng giãn nở ở nhiệt độ cao (thể tích giãn 20-50 lần) tạo thành lớp cacbon xốp, ngăn chặn vật lý các hạt nhiệt độ cao và hấp thụ năng lượng va đập.
Dữ liệu hỗ trợ:GB 38031-2025 "Yêu cầu an toàn đối với pin năng lượng dùng cho xe điện" quy định: Sau khi kích hoạt mất kiểm soát nhiệt, bộ pin không được xuất hiện ngọn lửa bên ngoài hoặc nổ trong ít nhất 5 phút, nhằm tạo khoảng thời gian cho hành khách thoát hiểm. Quy định số UN GTR No.20 của Liên Hợp Quốc và ECE R100.03 của EU cũng có yêu cầu tương tự. Mục tiêu của quy định thế hệ tiếp theo (dự kiến áp dụng vào năm 2027-2028) là kéo dài thời gian thoát hiểm lên 30-120 phút — điều này đặt ra yêu cầu nhảy vọt về chất đối với hiệu năng của lớp phủ chống cháy.
Nguồn:GB 38031-2025, UN GTR No.20, ECE R100.03, IDTechEx Fire Protection Materials Report 2025
Kiến trúc bảo vệ bốn lớp của lớp phủ chống cháy nano – tích hợp kỹ thuật từ vật liệu đến hệ thống
Lớp thứ nhất: Lõi cách nhiệt bằng khí gel nano.Khí gel SiO₂ — được gọi là "khói rắn" — có hệ số dẫn nhiệt thấp nhất trong các vật liệu rắn đã biết (0.013-0.018W/mK, nhiệt độ phòng, áp suất thường), độ xốp >95%, kích thước lỗ rỗng 2-50nm (nhỏ hơn đường tự do trung bình của phân tử khí khoảng 70nm, do đó ức chế hiệu quả sự dẫn nhiệt dạng khí). Đột phá năm 2025 của Đại học Công nghệ Nam Kinh nằm ở: (1) Thông qua quy trình sấy siêu tới hạn CO₂ đổi mới (thu hồi 99,5% ethanol) đã giảm chi phí sản xuất khí gel hơn 50%; (2) Thông qua cấu trúc gia cường bằng sợi và thiết kế đàn hồi (>90% phục hồi nén đàn hồi) đã giải quyết vấn đề giòn và bong bột của khí gel truyền thống — có thể chịu được sự giãn nở/co ngót lặp đi lặp lại trong chu trình sạc xả của cell pin (độ thay đổi độ dày cell pin có thể đạt 5-10%).
Lớp thứ hai: Lớp phủ chống cháy trương nở (Intumescent Coating).Hệ thống EP/MAP-Cu (nhựa epoxy/amoni polyphosphate biến tính - ion đồng) là hướng nghiên cứu tiền phong được Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc hỗ trợ trong giai đoạn 2025-2026. Nguyên lý hoạt động: Ở nhiệt độ cao, MAP phân hủy thành axit photphoric → xúc tác nhựa epoxy cacbon hóa tạo thành lớp cacbon trương nở → ion Cu²⁺ xúc tác tăng cường liên kết chéo lớp cacbon → độ dày lớp cacbon có thể đạt 20-50 lần lớp phủ ban đầu. Dữ liệu thí nghiệm: Lớp phủ dày 1,5mm tiếp xúc với ngọn lửa butan 1200°C, nhiệt độ mặt sau chỉ đạt 93°C (giảm 36% độ tăng nhiệt), thời gian bắt đầu mất kiểm soát nhiệt bị trì hoãn 51%.
Lớp thứ ba: Đóng gói bằng cao su silicon hóa gốm. Dưới ngọn lửa 800-1300°C, chất độn nano mica/kaolin và xúc tác bạch kim trong cao su silicon phối hợp tác dụng: mạch bên methyl và vinyl của cao su silicon phân hủy nhiệt → chấtdư lượng SiO₂ kết tụ với chất độn nano nung kết ở nhiệt độ cao tạo thành lớp vỏ bảo vệ dạng gốm đặc chắc — biến đổi tại chỗ từ elastomer mềm dẻo thành rào cản gốm cứng. >30 phút thử nghiệm xuyên thủng ngọn lửa 1300°C không bị phá hủy.
Lớp thứ tư (tùy chọn): Chất chữa cháy sol khí nano. Trong các tình huống cực đoan (ba lớp đầu đều bị xuyên thủng), chất chữa cháy sol khí nano được nhúng trong lớp phủ (như hạt nano K₂CO₃) sẽ phân hủy nhiệt ở >800°C tạo ra gốc tự do K•, bắt giữ hiệu quả các gốc tự do H• và OH• trong phản ứng dây chuyền cháy, thực hiện chữa cháy hóa học chủ động.
Nguồn: Đại học Công nghệ Nam Kinh/Interesting Engineering (2025), Dữ liệu kỹ thuật NAGASE SUPHIP®, Bài tổng quan Aerogel trên MDPI Gels (Tháng 10 năm 2025)
Các câu hỏi thường gặp
Lớp phủ chống cháy nano sẽ làm tăng bao nhiêu trọng lượng cho bộ pin?
Khối lượng trên đơn vị diện tích của tấm cách nhiệt aerogel khoảng 200–400 g/m², một gói pin 80 kWh (khoảng 200 cell, diện tích bề mặt giữa các cell khoảng 8 m²) tăng thêm khối lượng khoảng 1,6–3,2 kg — chưa tới 1% tổng khối lượng gói pin. Lớp phủ trương nở tăng thêm khối lượng khoảng 0,5–1,0 kg. So với lợi ích an toàn chống cháy mà gói pin đạt được, chi phí về khối lượng có thể bỏ qua.
Lớp phủ chống cháy có ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt của pin không?
Mục tiêu thiết kế của lớp phủ cách nhiệt nano là "cách nhiệt định hướng" — ngăn chặn sự lan truyền mất kiểm soát nhiệt giữa các cell pin (theo phương pháp tuyến), nhưng không ảnh hưởng đến đường tản nhiệt bình thường ở đáy hoặc mặt bên cell pin (theo phương tiếp tuyến). Thông qua việc phủ có chọn lọc vị trí của lớp phủ (chỉ ở giữa các mặt lớn của cell pin) để đạt được điều khiển chính xác quản lý nhiệt.
Xe hiện có có thể lắp thêm lớp phủ chống cháy cho pin không?
Tính khả thi về kỹ thuật và an toàn của việc lắp thêm sau khi bán hàng vẫn đang được đánh giá – cấp độ kín của bộ pin (IP67/IP68) và an toàn điện áp cao cần được duy trì nghiêm ngặt trong quá trình lắp thêm. Hiện tại, lớp phủ chống cháy nano chủ yếu được ứng dụng trong giai đoạn thiết kế và sản xuất bộ pin nguyên bản OEM.
Pin LFP có cần lớp phủ chống cháy không?
Cần. Mặc dù độ ổn định nhiệt của LFP (lithium sắt phosphat) tốt hơn pin lithium ba thành phần NCM/NCA (nhiệt độ khởi phát mất kiểm soát nhiệt khoảng 250°C so với 180°C, nhiệt độ đỉnh khoảng 600-800°C so với 1000-1200°C), nhưng một khi mất kiểm soát nhiệt xảy ra, tế bào LFP cũng sẽ phun ra khí và hạt nóng cao, rủi ro lan truyền mất kiểm soát nhiệt ở cấp độ module vẫn tồn tại. Chỉ là hệ LFP có thể sử dụng lớp phủ chống cháy mỏng hơn (1-2mm so với 2-4mm của NCM).
Nguồn tham khảo:GB 38031-2025, Đại học Công nghệ Nam Kinh/Interesting Engineering (2025), NAGASE SUPHIP®, MDPI Gels (Tháng 10/2025), IDTechEx Fire Protection Materials 2025-2035
Ngày đăng: 6 tháng 7 năm 2026 | Danh mục: Kiến thức kỹ thuật