江南大学李承东JCIS：合理合成甲基硅倍半氧烷气凝胶并用于解决锂离子电池中热负荷和压缩恢复问题

第一作者：李承东

通讯作者：李承东*

单位：江南大学，昆士兰科技大学

作为清洁的可再生能源，锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、高电压、循环寿命长和环保等优势，近年来已被广泛应用于智能手机、新能源汽车和储能电站等领域。然而，它们是温度依赖型器件，最佳工作温度范围为15-40 °C。过高（>40 °C）或过低（<0 °C）的温度都可能导致电池性能受损，甚至燃烧或爆炸（即电池热失控）。气凝胶隔热片具有优异的绝热和阻燃性能，可有效地降低电池热失控风险，提高电池的安全性和稳定性，并且其轻质和阻燃特性使其能促进电池的轻量化和高性能化，成为解决动力电池系统安全问题的最佳选择。现有技术通常在电池之间插入0.5-5.0毫米厚的气凝胶隔热片（见图1），使电池温度恒定在所需范围内。然而，锂离子电池在充-放电周期中会发生可逆的体积变化，并在长期使用过程中会因老化而变厚，使隔热片被不断地压缩。因此，高压缩弹性、优异的隔热和防火阻燃性能成为新能源汽车电池用气凝胶隔热片的关键性能要求。

近日，来自江南大学的李承东副研究员与昆士兰科技大学的Kostya Ken Ostrikov教授合作，基于锂离子电池在服役中存在热过载和压缩应力，易引起燃烧和机械故障的安全性问题提出了解决方案，在国际知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上发表题为“Rational synthesis of methylsilsesquioxane aerogels addressing thermal load and compression recovery issues in Li-ion batteries”的研究论文。纤维纸在反复承受高应变压缩载荷后难以恢复至初始厚度，因此提高气凝胶隔热片弹性的关键在于增加气凝胶的弹性，而这与气凝胶颗粒的尺寸和三维排列有很大关联。二氧化硅气凝胶的微观结构是通过硅前驱体的水解和缩合反应（即溶胶-凝胶过程）形成的。合成条件，尤其是溶胶成分，会影响胶体颗粒的生长动力学，从而影响二氧化硅气凝胶的微观结构和性能。现有文献虽然已报道不同硅源复合、共聚、硅烷与聚合物共凝胶等多种策略来提高二氧化硅气凝胶的机械性能。但是，只有少数文献深入地研究了溶胶成分对由单一硅源制成的气凝胶隔热片的微观结构和机械性能的影响。

在该论文中，江南大学的李承东副研究员等人提出了一种创新的方法来获取甲基倍半硅氧烷（MSQ）气凝胶隔热片的最佳溶胶组成。该方法是在研究水硅比（h值）和醇硅比（i值）对MSQ气凝胶隔热片综合性能的影响机制上，通过其性能在三元轮廓图中的分布规律来获得最佳的溶胶组成。经过溶胶组成和水解工艺参数优化后，合成的MSQ气凝胶隔热片不仅具有柔软、轻质和不掉粉的结构，还有超疏水性（150.2°）、低热导率（33.6 mW/(m·K)）、高热稳定性（479.3 °C，氮气气氛）并能在120.0 °C下短期服役6小时等优点。值得注意的是，MSQ气凝胶隔热片的结构稳定性和弹性超过了目前的技术水平，在承受400次高速和高应变连续压缩循环后，其厚度可恢复至原始厚度的81.3 %，其压缩应力可恢复至原始应力的85.2 %。这些优异的性能使MSQ气凝胶隔热片有望应用于各种储能设备，包括下一代电动汽车的电池的热负荷和压缩恢复管理。

本文以甲基三甲氧基硅烷（MTMS）为硅源，异丙醇（IPA）为溶剂，草酸（OA）为酸催化剂，浸入玻璃纤维片中，经溶胶-凝胶和常压干燥工艺后制得MSQ气凝胶隔热片。本文将凝胶时间≤300分钟的蓝色区域（见图3(a)）的溶胶成分进行进一步优化。在图3(b)中，浅蓝色和粉红色区域的溶胶组成可以合成出具有轻质和不掉粉的MSQ气凝胶隔热片，其范围很窄。相反，剩余的区域是溶胶的非理想区域，即它们在48内难以凝胶化 或只能合成出致密或易掉粉、有缺陷的MSQ气凝胶隔热片。要在短时间内合成出没有明显缺陷的MSQ气凝胶隔热片的关键是将溶胶组成保持在浅蓝色和粉红色区域。基于凝胶时间、宏观形态和通过手指按压触感评估的机械性能，样品3、7、12、13、16、17、18和50显示出更好的综合性能，这将用于后续对其孔结构、热导率、机械性能和热稳定性的研究。

MSQ气凝胶隔热片样品3、7、12、13、16、17、18和50都能承受大于80.0%的压缩应变，依据压缩应力-应变曲线的分类标准，均属于性能最高的压缩型气凝胶。

将三片玻璃纤维纸夹在两个平行的四氟乙烯模具中至设计厚度（约10 mm），然后通过相同的溶胶-凝胶和常压干燥过程，MSQ气凝胶隔热片样品18的热导率可从33.6 mW/(m·K)降至28.0 mW/(m·K)，并且经过14-56次加热-冷却循环后，其热导率仍很低（27.3±0.5 mW/(m·K)），表明其具有出色的热循环稳定性，可用于电动汽车电池的长期热管理。

加入玻璃纤维可略微提高MSQ气凝胶的热稳定性。当温度从212.2 oC上升到1000.0 oC时，其重量损失（在N2氛围中）从12.6%降至9.9%。在空气中，MSQ气凝胶隔热片的短期（< 6 h）使用最高温度为120 oC（仍能保持超疏水性），高于地球上的自然表面温度。因此，合成的MSQ气凝胶隔热片可以满足电池热管理的普遍使用条件。

Rational synthesis of methylsilsesquioxane aerogels addressing thermal load and compression recovery issues in Li-ion batteries

李承东简介：江南大学化学与材料工程学院副研究员/硕士生导师，2017年毕业于南京航空航天大学材料科学与技术学院，获材料学专业博士学位；2015.01-2016.01，美国加利福尼亚大学戴维斯分校访问学者；2014.07-2014.10：英国布鲁内尔大学访问学者。长期从事气凝胶材料、防隔热复合材料和功能涂层等研究工作，已发表SCI论文40余篇，授权发明专利10余项，主持国家自然科学基金等项目若干项，与企业共同申报的“离心玻璃棉超细化及其真空绝热关键技术研发与应用”项目获评2017年度江苏省科学技术奖二等奖。承担本科生《物理化学》和研究生《高等高分子化学》等课程教学工作，获评南京航空航天大学2018年校优秀博士学位论文，江南大学化工学院2022年度青年教师教学竞赛优秀奖（最高奖），指导本科生获评2019年IFSIM应用创新比赛一等奖。

近年来，李承东副研究员通过坚持不懈地阅读文献、开展实验、指导学生竞赛、走访企业和参加国内外学术/产业会议，逐渐形成了通过调控气凝胶组成和微结构来优化硅基气凝胶性能的认识和方法，并以第一作者和通讯作者身份发表了综述文章（Journal of Non-Crystalline Solids, 2021, 553: 120517）。目前，该文章已被引用80余次，位列期刊高被引论文列表。同时，申请人十分关注硅基气凝胶的国内外产业化现状及技术发展趋势，与国内外专家合作，共同发表了一篇硅基气凝胶从材料研究到产业化应用的综述文章（International Materials Reviews, 2023, 68(7), 862-900）。目前，李承东课题组已具备研发新型、高性能和高性价比硅基气凝胶相关产品的能力，欢迎国内外同行前来合作与交流。