一片隻有A4紙大小、硬幣厚度，輕若無物的隔熱片，在關鍵時刻卻能成為守護生命的“安全衛士”。

在4月初舉行的第十四屆儲能國際峰會暨展覽會上，南京工業大學教授沈曉冬團隊展示的一款新材料，引發眾人關注。這便是全球首款可耐受1300℃高溫的新能源鋰離子電池用高熱阻氣凝膠隔熱片。

“鋰離子電池可謂新能源汽車和儲能系統的‘心臟’。電池一旦熱失控，單個電芯溫度可在五六秒內急劇攀升甚至引發爆炸，所以迅速阻斷高溫向相鄰電芯傳遞至關重要。”沈曉冬雙手包裹住一片隔熱片，向科技日報記者演示，如果把雙手看作兩片相鄰的電芯，那麼氣凝膠隔熱片就是電芯間的“防火牆”。

沈曉冬在20多年的光陰裡，帶領團隊通過調控氣凝膠網絡結構，提升干燥技術，完善加工工藝，將氣凝膠隔熱片的耐溫性從最初的650℃，提升到如今的1300℃，熱隔絕時間延長至2小時。

目前，這些“安全衛士”已經廣泛應用於高溫窯爐、航空航天以及寧德時代、比亞迪、陽光電源、小米汽車等企業的動力電池中。

耐高溫又隔熱

氣凝膠是一種輕質絕熱材料。在掃描電鏡下，它呈現出由無數納米顆粒編織而成的立體網絡結構。“這張網約99%的空間由空氣填充。”沈曉冬指著電腦屏幕上一張電子顯微照片解釋，“空氣在這張網內被困住‘手腳’無法移動，所以氣凝膠的熱導率比空氣還低，這讓它成為材料界的‘隔熱之王’。”

與生俱來的“天賦”，讓氣凝膠在鋰離子電池中找到了“存在感”。“電池內部空間寸土寸金，這要求隔熱材料既輕薄，又隔熱耐溫，氣凝膠便有了用武之地。”沈曉冬介紹，幾年前，國內頭部新能源汽車廠商探索將氣凝膠應用到電芯間隔熱，但當時的隔熱片只能承受300℃的溫度，而電芯燃燒或者爆炸時的瞬間溫度往往在650℃甚至1000℃以上。

“當時廠商一度要放棄氣凝膠這條技術路線。”此前已經將氣凝膠應用於熱力管道保溫、航天等領域的沈曉冬向廠商自薦，要為氣凝膠爭取一個証明自己的機會。

“要讓氣凝膠耐受1000℃以上的高溫，就要讓納米孔骨架更結實，納米顆粒間結合得更緊密。”團隊核心成員、南京工業大學教授崔升和同事先是向原材料中加入氧化物，試圖讓氣凝膠更結實、不坍塌，但卻發現隔熱性能下降了。

“能否增加納米顆粒的比表面積，抑制熱傳導？”團隊核心成員、南京工業大學教授孔勇查遍文獻無果，抱著試試看的心態，向原材料中添加催化劑，但氣凝膠經過干燥后體積大幅縮小，隔熱性能比原來更差。

此路不通，團隊回到起點。孔勇又重新審視催化劑的酸鹼度。幾經調試終於發現，偏酸性的條件下，顆粒之間的結合力較弱，所以氣凝膠結構不牢固。他將催化劑調成鹼性值更大時，骨架穩固了，成型后的氣凝膠也能保持穩定結構了。

“納米顆粒之間就像用膠水黏著一樣，既保証了氣凝膠的隔熱性，又提高了耐溫性。”孔勇說，最終團隊研發的2.3毫米厚的氣凝膠隔熱片，可以在一面承受1000℃的高溫5分鐘后，另一面溫度不超過100℃。

低成本“干濕分離”

制備氣凝膠，材料是基礎，過程是關鍵。“高效超臨界干燥技術便是極難掌握的關鍵過程。”沈曉冬介紹。

所謂超臨界干燥，是將濕凝膠中的溶劑用處於超臨界狀態的二氧化碳從納米孔中“萃取”出來，再緩慢泄壓，使其變為氣態逸出，從而讓納米孔內僅留下空氣且結構完好無損，最終得到氣凝膠。

然而，早期超臨界干燥技術僅能滿足實驗室需求。產業界既缺乏完善設備，又因工藝不成熟導致制備效率低。無經驗可循、無產業支撐，沈曉冬團隊的探索之路充滿考驗。

“氣凝膠很脆，沒法單獨使用。必須借助基材的結構強度。”因此，團隊將含有大量酒精和水的濕凝膠溶液浸到陶瓷纖維中，放進干燥釜裡，原本預計僅需2至4小時就能干燥好，但十幾個小時后還是濕漉漉，生產效率極低。

如何讓濕凝膠迅速干透，成為首當其沖的難題。團隊核心成員、江蘇珈雲新材料有限公司總經理滕凱明領銜開啟了一場系統性攻關：首先降低濕凝膠含水量，將酒精純度提升至95%以上，以提高二氧化碳的萃取效率﹔隨后又歷時一年多，設計出多種柔性透氣隔網，優化了氣凝膠氈層間二氧化碳流場分布、強化了二氧化碳的擴散傳輸通道，使得超臨界二氧化碳更快速進入凝膠的納米空隙中，與孔內的酒精進行高效傳質。

干燥釜內的壓力控制同樣不容小覷。快速泄壓雖能提升生產效率，但壓力震蕩對納米孔的沖擊會導致氣凝膠開裂破碎。於是團隊嘗試每10分鐘泄壓一次，逐步摸清泄壓快慢與納米孔保持率之間的最佳平衡點。

成本控制是超臨界干燥的另一道坎。每一次超臨界干燥，都會從濕凝膠中萃取出大量酒精。

“這些酒精是不是可以作為原材料回收利用？”滕凱明看到了開源節流的契機。他們又花了大約兩年時間，開發了一套工藝，先針對酒精中的不同雜質加入化學藥劑進行預處理，破壞其與酒精的互溶關系，再通過精餾提純，最終實現乙醇回收率超99.5%，僅原料成本便降低了一半以上。

彈性壓縮超90%

工藝穩定性問題解決后，實際應用場景又帶來新問題。傳統二氧化硅氣凝膠是典型的脆性材料，一捏就碎。但新能源電池、儲能電池在充放電時，就像“呼吸”一樣，會不斷膨脹、收縮，對氣凝膠形成反復擠壓。如何讓氣凝膠柔軟可壓縮，又能在壓縮后保持回彈和支撐性，同時還能不破壞納米孔，構成一個“不可能三角”。

這一次的破題靈感，來自氣凝膠的“親戚”——硅橡膠。硅橡膠能在-100℃至300℃的寬泛溫度范圍內保持彈性，且物理性能變化極小。

“能否仿照硅橡膠的分子構型，將氣凝膠從剛性結構變成彈性結構？”孔勇提出這一構想，並帶領團隊進行“微型手術”，通過選擇性“敲除”納米孔網格的部分連接節點，讓整張網相對鬆散、更Q彈。

孔勇打了個比方：“這類似搭腳手架，如果每根鋼管和連接件都嚴絲合縫，整個作業平台就都很穩固﹔但鬆開其中幾個連接件，平台就會搖晃一些，出現滑移，但又不會散架。”

“敲除”是個精細活。多了，整個網絡散架，耐高溫和高效隔熱就無從談起﹔少了，材料又硬邦邦。

孔勇和團隊一次次地通過催化劑的用量和種類，調試反應溶液的酸鹼度，為氣凝膠納米孔生長過程中的水解—聚合反應提供溫和可控的環境，使氣凝膠骨架長成一種長鏈的、相對鬆散自由的形態，氣凝膠彈性壓縮超90%而結構和性能依然沒有被破壞。

歷經多年技術迭代，沈曉冬團隊已經研發出碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼等多種耐高溫氣凝膠隔熱材料。2025年，江蘇珈雲新材料有限公司實現銷售收入2億余元。

“十五五”規劃綱要提出，加快新能源、新材料等戰略性新興產業發展，這讓沈曉冬對未來充滿期待：“我們將加強基礎研究和產業化進程，推動氣凝膠隔熱材料從新能源電池的‘高端選配’變為‘主流必配’，同時探索開拓其在消防、商業航天、太空算力等領域的應用，推動建立中國的氣凝膠納米材料產業體系。”