ความรู้อุตสาหกรรม
กลไกของฉนวนความร้อนและโครงสร้างที่มีรูพรุนนาโนของฟิล์มแอโรเจล
ประสิทธิภาพของฉนวนความร้อนที่โดดเด่นของ ฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟ Airgel มีต้นกำเนิดมาจากโครงกระดูกซิลิกาที่มีรูพรุนระดับนาโน ซึ่งยับยั้งโหมดการถ่ายเทความร้อนทั้งสามโหมด ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนที่มีความเข้มข้นระหว่าง 2 ถึง 50 นาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าเส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลอากาศที่ความดันบรรยากาศ (ประมาณ 70 นาโนเมตร) อย่างเห็นได้ชัด Knudsen Effect จะดักจับโมเลกุลก๊าซภายในเครือข่ายรูพรุน ส่งผลให้ค่าการนำความร้อนของก๊าซลดลงเหลือน้อยกว่า 0.005 W/m·K การนำโซลิดเฟสถูกขัดขวางโดยแกนหลักซิลิกาที่คดเคี้ยวสูง ซึ่งมีสายโซ่อนุภาคที่เชื่อมต่อถึงกันสร้างเส้นทางความร้อนที่ยาวกว่าความหนาของฟิล์มมากกว่า 100 เท่า การถ่ายเทความร้อนจากการแผ่รังสีจะลดลงด้วยการรวมตัวของสารทำให้ทึบแสง เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์หรืออนุภาคนาโนของซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งกระจายรังสีอินฟราเรดในช่วงความยาวคลื่น 2–8 ไมโครเมตร ผลลัพธ์การนำความร้อนรวมของฟิล์มแอโรเจลที่สูตรอย่างเหมาะสมสามารถต่ำได้ถึง 0.015–0.020 W/m·K ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเป็นค่าที่ไม่มีใครเทียบได้กับโฟมโพลีเมอร์ทั่วไปหรือแผ่นไฟเบอร์ที่มีความหนาใกล้เคียงกัน
บทบาทที่สำคัญของการกระจายขนาดรูพรุนในการปราบปรามการถ่ายเทความร้อน
การรักษาการกระจายขนาดรูพรุนที่แคบถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่สม่ำเสมอทั่วทั้งฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟของ Airgel หากเศษส่วนของรูพรุนเกิน 100 นาโนเมตร กระแสการพาความร้อนเฉพาะจุดสามารถเริ่มต้นภายในช่องว่างขนาดใหญ่ ส่งผลให้ความต้านทานความร้อนที่มีประสิทธิภาพโดยรวมลดลง กระบวนการผลิตที่ต้องอาศัยการทำแห้งด้วย CO₂ ที่วิกฤตยิ่งยวดหรือการทำแห้งด้วยความดันโดยรอบด้วยการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่ควบคุม ทำให้เกิดความพรุนได้ 90–98% ในขณะที่รักษาขนาดรูพรุนเฉลี่ยให้ต่ำกว่า 40 นาโนเมตร พื้นที่ผิวจำเพาะที่เกิดขึ้น โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 600–1000 ตร.ม./กรัม เมื่อวัดโดยการดูดซับไนโตรเจนของ BET มีความสัมพันธ์โดยตรงกับทั้งประสิทธิภาพของฉนวนความร้อนและความสามารถในการหน่วงไฟ เนื่องจากพื้นที่ผิวภายในที่สูงส่งเสริมให้เกิดถ่านและเจือจางก๊าซที่ติดไฟได้ในระหว่างการสัมผัสกับไฟ
ประสิทธิภาพของแผงกั้นไฟในสถานการณ์การแพร่กระจายความร้อน
ในโมดูลแบตเตอรี่พลังงานใหม่ การระบายความร้อนของเซลล์เดียวสามารถลุกลามไปสู่เหตุการณ์ระดับหายนะในระดับแพ็คได้ภายในไม่กี่วินาที ฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟของ Airgel ทำหน้าที่เป็นชั้นประสานกันไฟที่ชะลอการถ่ายเทความร้อนระหว่างเซลล์นานเพียงพอสำหรับระบบการจัดการแบตเตอรี่เพื่อเปิดใช้งานมาตรการป้องกัน เมื่ออยู่ภายใต้เปลวไฟโพรเพนที่มีอุณหภูมิ 600°C ตามระเบียบการทดสอบ UL 2596 ฟิล์มแอโรเจลหนา 1.0 มม. จะรักษาอุณหภูมิหน้าเย็นให้ต่ำกว่า 180°C นานกว่า 10 นาที ในขณะที่ซิลิกาเมทริกซ์ยังคงมีมิติคงตัวโดยไม่ละลายหรือหยด ประสิทธิภาพนี้มีสาเหตุมาจากการไม่ติดไฟโดยธรรมชาติของซิลิกา และความสามารถของฟิล์มในการสร้างสิ่งกีดขวางคล้ายเซรามิกที่เหนียวแน่น ซึ่งจะบล็อกทั้งการปะทะของเปลวไฟที่พาความร้อนและการไหลของความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าผ่านการสัมผัสอนุภาคต่ออนุภาคโดยตรง
| วัสดุ | ค่าการนำความร้อน (W/m·K) | พิกัด UL 94 | ความหนาทั่วไป (มม.) | ความหนาแน่น (ก./ซม.) |
| ฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟ Airgel | 0.015–0.020 | วี-0 | 0.2–2.0 | 0.10–0.25 |
| แผ่นไมกา | 0.20–0.35 | วี-0 | 0.5–3.0 | 1.8–2.5 |
| กระดาษเซรามิคไฟเบอร์ | 0.08–0.15 | วี-0 | 1.0–5.0 | 0.15–0.30 น |
ความสามารถในการปรับแต่งการเคลือบผิวและการผลิต
Anhui Yanhe New Material Co., Ltd. ซึ่งตั้งอยู่บนพื้นที่ 17 เอเคอร์ในเขตพัฒนาเศรษฐกิจ Guangde ตะวันตก ตั้งแต่ปี 2012 ได้พัฒนาและผลิตวัสดุการติดฉลากแบบพิเศษ เทปใช้งานสำหรับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และผลิตภัณฑ์กาวสำหรับวัสดุฟิล์มฟังก์ชั่นต่างๆ บริษัทใช้การเคลือบพื้นผิวที่สอดคล้องกันตามความต้องการใช้งานของพื้นผิวที่แตกต่างกันของลูกค้า ทำให้เกิดการผลิตฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟ Airgel แบบกำหนดเองพร้อมคุณสมบัติพื้นผิวที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างแม่นยำ ด้วยความร่วมมือกับมหาวิทยาลัยและสถาบันการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งในและต่างประเทศ บริษัทใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีการวิจัยและพัฒนาวัสดุขั้นสูงของอุตสาหกรรม และความสามารถในการผลิตที่ปรับแต่งได้เอง เพื่อนำเสนอโซลูชั่นแบบครบวงจรสำหรับวัสดุที่ใช้งานได้จริง โครงสร้างพื้นฐานนี้ช่วยให้สามารถประยุกต์ใช้การเคลือบป้องกันตามความต้องการ ซึ่งจัดการกับความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมเฉพาะที่พบในชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงาน
ตัวเลือกการเคลือบตามหน้าที่เพื่อเพิ่มความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม
ฟิล์มแอโรเจลฐานสามารถเคลือบหรือเคลือบด้วยชั้นการทำงานต่างๆ การเคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์บางๆ มีคุณสมบัติในการไม่ชอบน้ำด้วยมุมสัมผัสของน้ำที่เกิน 130° ป้องกันการดูดซับความชื้นที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพทางความร้อนในสภาพแวดล้อมที่ชื้น สำหรับการใช้งานที่ต้องการความทนทานต่อการสึกหรอสูง สามารถเคลือบแข็งเคลือบด้วยรังสียูวีด้วยเซรามิกเพื่อเพิ่มความแข็งของดินสอเป็น 6H หรือสูงกว่า ปกป้องฟิล์มจากการเสียดสีระหว่างการใส่เซลล์และการประกอบโมดูล การเคลือบอลูมิเนียมหรือทองแดงที่เป็นโลหะสามารถเลือกนำไปใช้ผ่านการสะสมไอทางกายภาพเพื่อสร้างชั้นป้องกันสัญญาณรบกวนความร้อนและแม่เหล็กไฟฟ้ารวมกัน โดยเพิ่มความหนาทั้งหมดน้อยกว่า 10 μm ในขณะที่ยังคงคุณลักษณะน้ำหนักเบาของฟิล์มไว้
ความสมบูรณ์ทางกลและความยืดหยุ่นในการบีบอัดในการประกอบโมดูล
คุณลักษณะน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูงของฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟของ Airgel มีความสำคัญอย่างยิ่งในระหว่างการประกอบโมดูลแบตเตอรี่ ซึ่งมักจะลดระยะห่างระหว่างเซลล์ให้ต่ำกว่า 1 มม. เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานตามปริมาตรสูงสุด แม้จะมีความพรุนสูง แต่เครือข่ายซิลิกาแอโรเจลที่เสริมด้วยแผ่นพาหะไฟเบอร์ไม่ทอ (โดยทั่วไปคือแก้วหรือเส้นใย PET) แสดงโมดูลัสแรงอัดที่ 0.5–5 MPa และสามารถคืนความหนาได้มากกว่า 90% ของความหนาเดิม หลังจากถูกบีบอัดเป็นความเครียด 50% เป็นเวลา 24 ชั่วโมงที่ 60°C ความยืดหยุ่นในการบีบอัดนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าฟิล์มจะรักษาการแยกความร้อนและไฟฟ้าอย่างใกล้ชิดระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกัน แม้จะผ่านรอบการปล่อยประจุหลายร้อยครั้ง ซึ่งทำให้เกิดการขยายตัวและการหดตัวเล็กน้อยของปลอกเซลล์ ความต้านทานแรงดึงของฟิล์มซึ่งโดยปกติจะอยู่ในช่วง 1–5 MPa ให้ความทนทานในการจัดการที่เพียงพอสำหรับการแปลงแบบม้วนต่อม้วนและการประกอบแบบหยิบและวางอัตโนมัติโดยไม่ฉีกขาดหรือหลุดออกของเส้นใยที่อาจปนเปื้อนการเชื่อมต่อแบตเตอรี่
ความเข้ากันได้กับเคมีแบตเตอรี่และระบบอิเล็กโทรไลต์
สภาพแวดล้อมทางเคมีภายในชุดแบตเตอรี่ทำให้เกิดความต้องการความเข้ากันได้ในระยะยาว ซึ่งวัสดุฉนวนที่เป็นสารอินทรีย์หลายชนิดไม่สามารถตอบสนองได้ ฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟของ Airgel มีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงถึง 600°C ในบรรยากาศออกซิเดชัน และสูงถึง 1,000°C ภายใต้สภาวะเฉื่อย ในขณะที่เคมีของซิลิกามีความทนทานต่อกรดไฮโดรฟลูออริกโดยเนื้อแท้ ซึ่งสามารถก่อตัวได้จากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ LiPF₆ การทดสอบการเร่งอายุโดยแช่ฟิล์มไว้ในส่วนผสมของเอทิลีนคาร์บอเนต ไดเมทิลคาร์บอเนต และ 1M LiPF₆ ที่ 85°C เป็นเวลา 500 ชั่วโมง แสดงการสูญเสียมวลเล็กน้อยและไม่มีการย่อยสลายที่ตรวจพบได้ในการนำความร้อน คุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนของสารเคมีขยายไปถึงของเหลวทำความเย็นที่ใช้กันทั่วไป น้ำมันอิเล็กทริก และตัวทำละลายในการทำความสะอาด ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรและความทนทานของฟิล์มตลอดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าหรือการติดตั้งที่เก็บพลังงานแบบอยู่กับที่
- ซิลิกาแอโรเจลไม่ทนต่อกลไกการย่อยสลายแบบออกซิเดชั่นที่ทำให้โฟมโพลีโอเลฟินเกิดการเปราะ โดยคงความยืดหยุ่นเชิงกลไว้ตลอดรอบความร้อนหลายพันรอบ
- ฟิล์มนี้ไม่มีสารหน่วงการติดไฟที่ใช้ฮาโลเจน ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดผลพลอยได้จากการกัดกร่อนเมื่อสัมผัสกับอาร์คไฟฟ้าหรือการให้ความร้อนอย่างต่อเนื่อง
- สารทำให้ทึบแสงของโลหะออกไซด์ที่รวมอยู่ในเมทริกซ์แอโรเจลทำหน้าที่เป็นตัวกำจัดกรด ซึ่งทำให้กรดชนิดต่างๆ ที่เป็นกรดเป็นกลางที่อาจแทรกซึมเข้าไปในฟิล์มจากอิเล็กโทรไลต์ที่ย่อยสลาย
- ฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟของ Airgel แบบกำหนดเองสามารถกำหนดสูตรด้วยชั้นอลูมิเนียมฟอยล์บาง ๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้งแผงกั้นก๊าซและแผงป้องกันเปลวไฟเพิ่มเติม โดยไม่กระทบต่อโปรไฟล์น้ำหนักเบาโดยรวม
กลยุทธ์บูรณาการกับระบบการจัดการความร้อน
ในชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ฟิล์มบรรจุภัณฑ์สารหน่วงไฟของ airgel ไม่ค่อยมีการใช้เป็นโซลูชันแบบสแตนด์อโลน แต่จะเสริมแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว วัสดุเปลี่ยนเฟส และช่องระบายความร้อนด้วยอากาศแทน การออกแบบทั่วไปจะวางฟิล์มแอโรเจลไว้พันรอบเซลล์ปริซึมแต่ละเซลล์หรือเป็นตัวแยกระหว่างชั้นระหว่างแถวของเซลล์ โดยส่งความร้อนไปยังส่วนต่อประสานการทำความเย็นในขณะเดียวกันก็ป้องกันการแพร่กระจายของเปลวไฟด้านข้าง ลักษณะการอัดตัวของฟิล์มทำให้สามารถใช้ร่วมกับแผ่นความร้อนแบบอุดช่องว่างซึ่งนำความร้อนไปยังระบบทำความเย็น ในขณะที่ชั้นแอโรเจลจะปิดกั้นครอสทอล์คความร้อน ผู้ผลิตสามารถระบุรูปแบบไดคัทด้วยการตัดและกรีดที่แม่นยำ ซึ่งรองรับการเชื่อมต่อบัสบาร์และคุณสมบัติการระบายอากาศ ช่วยให้สามารถบูรณาการเข้ากับสายการประกอบอัตโนมัติได้อย่างราบรื่น ความสามารถในการจัดหาม้วนที่แปลงแบบกำหนดเองเหล่านี้ได้โดยตรงจากศูนย์แปลงเฉพาะ ทำให้มั่นใจได้ว่าผู้ออกแบบบรรจุภัณฑ์จะได้รับส่วนประกอบที่พร้อมติดตั้ง แทนที่จะเป็นสต็อกแบบดิบ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงในการประมวลผลถึงสถานที่และความเสี่ยงด้านคุณภาพ
