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【摘要】传统的石墨烯气凝胶在电池散热中的应用效果不太理想，其导热性能较差，相对的二氧化硅气凝胶散热材料有着姣好的性能。文章对石墨烯材料在中低温中的制备尽行探讨，同样对二氧化硅气凝胶的制备过程进行分析，以更好的梳理气凝胶材料在电池散热中的应用，研究以上两种形式气凝胶的优势特点，以对气凝胶的使用提供参考。
【关键词】中低温 气凝胶制备 电池散热
气凝胶的制备与使用在当下的行业中均有涉猎，气凝胶的种类繁多，具有密度低、孔隙高等特点。当下对于气凝胶隔热性能的研究越来越多，在航空航天方面也有广泛的利用，在众多的气凝胶及制备方式中，石墨烯气凝胶的中低温制备是当下所研究的重点，二氧化硅气凝胶的制备是当下在隔热材料中的研究重点，被视为隔热领域最具前途的气凝胶材料。
一、石墨烯气凝胶的制备
1.1氧化石墨烯制备
氧化石墨烯的制备主要是利用浓硫酸的反应进行的，其制备方式为，首先将反应瓶放置于低温的水溶液中，在反应瓶中加入适量浓硫酸进行搅拌，之后加入天然鳞片石墨与硝酸钠的固体混合物、以及高锰酸钾，使其在低温中进行反应。然后在反应过程当中持续搅拌并控制反应温度的变化，在反应到一定程度后加入去离子水以及双氧水并过滤，最后将过滤后的溶剂进行干燥处理，基于此氧化石墨烯的制备完成。在氧化石墨烯的制备过程中反应温度的控制至关重要，其次制备过程会使用浓硫酸及化学用品，制备过程存在一定的危险性。
1.2氮掺杂石墨烯气凝胶制备
氮掺杂石墨烯气凝胶的制备需要在氧化石墨烯的基础上进行。将氧化石墨烯中加入去离子水，采用超声进行混合，在混合均匀之后获得氧化石墨烯水溶液。取一定量氮化硼粉末经超声分散，然后将分散后的溶液进行为期10分钟左右的离心分离，进而取上清液作为氮化硼溶液。将制得的氧化石墨烯溶液与制备的氮化硼溶液进行混合，在混合之后字词对其超声分散并加入抗坏血酸，获得混合溶液。在得到混合溶液之后进一步对其搅拌，搅拌完成后静置反应，反应后得出石墨烯水凝胶。
在得出石墨烯水凝胶之后，要将其防止在乙醇溶液中进行浸泡反应，将石墨烯水凝胶中的杂质及其还原剂等无用分子进行祛除，在完成反应后对石墨烯水凝胶进行超临界干燥。知得注意的是，在对石墨烯水凝胶进行超临界干燥时，要严格控制干燥温度及空间压强防止其在干燥过程中出现缩聚、膨胀、塌陷等现象。基于此得到氮掺杂石墨烯气凝胶，进而制备高机械性、高导热性的氮掺杂石墨烯气凝胶复合导热材料。
二、二氧化硅气凝胶对散热的研究
2.1气凝胶基绝热复合材料研究现状
由于二氧化硅气凝胶的生产成本较高，无法进行大规模、高效率的工业生产，特别是使用简单的常压干燥法制备的二氧化硅气凝胶完整性较差，经常破碎，因此，纯硅气凝胶的低强度、低韧性是其产业化面临的最大挑战。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，由于辐射传热是高温下的主要传热方式，气凝胶对近红外辐射几乎是完全透明的，为了提高气凝胶高温隔热性能，在气凝胶中加入红外遮阳板，降低气凝胶高温辐射的导热系数。研究人员不仅可以致力于改进纯气凝胶制备工艺的优化，以降低生产成本，提高产品性能，而且可以采用不同的方法:将不定型的纤维材料、红外防晒剂和添加到二氧化硅气凝胶中制备气凝胶基复合保温材料，或添加到二氧化硅气凝胶中，对纺织纤维成型材料如红外防晒剂(机织物、针织物和非织造布等)在制备纺织基材气凝胶复合保温材料的同时减少了硅胶的用量，同时提高了纯硅胶的强度和高温隔热性能，使其成为一种经济实惠的工业和民用超级保温材料。
2.2纺织基气凝胶绝热复合材料研究现状
纯气凝胶在石油开采、石油炼制、化工制药、冶金、城市热网、建筑等普通工业领域成本较高难以大规模应用。将气凝胶与合适的纺织成型纤维材料相结合，利用纺织成型纤维材料的三维空间网络结构作为复合纳米孔气凝胶的骨架，形成气凝胶绝热复合材料的柔性基体。与气凝胶绝热材料相比，气凝胶绝热复合材料的综合性能得到了提高，根据目前的研究，纺织品气凝胶绝热复合材料的制备工艺主要包括凝胶整体成型、涂层、热键合、化学键合、浸渍等。凝胶积分成形法是在硅气凝胶基绝热复合材料的基础上发展起来的，并根据纺织成型纤维材料的特点提出了新的方法和工艺。
三、氮掺杂气凝胶复合材料在电池散热领域中的应用
上文中对氮掺杂气凝胶材料的制备作出了论述，氮掺杂气凝胶材料热导率较高、电导率较低，因此对于电池散热来讲具有明显优势，属于理想型的填充材料。相较于传统的空冷、也冷等电池散热方式，氮掺杂气凝胶不需要借助其他附件与系统，可以自行进行散热。氮掺杂气凝胶材料具有密度低的特点，在电池散热应用领域能够优化传统的散热结构与设计。
对此相关的课题组进行过相关的实验论证，对电池热管理系统以及对热数据的采集进行研究，收集电池在不同电流下的放电过程，以及在放电过程当中产生的温度变化，对气凝胶复合材料冷却与自然冷却的速度及效果进行分析。气凝胶复合材料在电池中的填充，首先要将气凝胶制备成符合电池的气凝胶材料，然后根据实验电池模型对气凝胶材料进行分割，自然冷却组采用传统的电池散热方式，经过不同电流下的放电，得知气凝胶在电池中散热速度较快，且在温度方面也要比自然冷却的温度要低，随着时间的变化两组之间的差距明显，气凝胶的优势凸显。经过多次的实验之后，从电池自身来讲电池性能没有发生变化，也在一定程度上表明了氮掺杂石墨烯气凝胶复合材料后，对电池的使用性能进行了改善，有效的进行了电池的热管理，对电池的使用有着积极作用。
四、结论与展望
综上所述，氮掺杂石墨烯气凝胶在电池散热领域中有着较好的应用，但其制备过程要求严格，需要不断进行搅拌与分离，对工作人员的专业性要求较高，由于氮掺杂石墨烯气凝胶不能进行大规模的生产应用，所以氮掺杂石墨烯气凝胶在电池散热领域的研究还应继续。
二氧化硅气凝胶材料的制备需要严格控制其干燥工艺，干燥工艺对气凝胶材料的制备有着至关重要的影响，基于此要加强对干燥工艺的优化，进而促进二氧化硅气凝胶材料的发展，当下的二氧化硅气凝胶材料在制备过程中的成本较高，因此没能在电池的散热中得到较好的发展，所以，干燥过程与降低成本是二氧化硅气凝胶材料的主要研究防线。
气凝胶绝热、散热复合材料的发展是当下研究的重点，在当下的气凝胶制备中，制备成本高是普遍的现象，但现下各工业体系对气凝胶的散热、绝热材料的需求量较大，气凝胶复合材料有着较为广阔的研究前景及使用领域。当下的气凝胶材料主要被应用于高质量的行业发展当中，受成本影响，在大众性的工业行业中使用较少。
五、结束语
文章对石墨烯气凝胶在电池散热中的应用作出了探讨，并对中低温下石墨烯气凝胶的制备进行了论述，得知石墨烯气凝胶在在电池的散热中有着较好的应用效果。但当下氮掺杂石墨烯气凝胶的使用受到各种因素的影响，使用范围较小，在未来的发展中，研究人员要对石墨烯以及氮掺杂石墨烯气凝胶进行进一步的研究，扩大其使用范围，使其良好的机械性能与散热性能得到良好的应用。
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论文作者:曹勇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/10
标签：凝胶论文; 石墨论文; 电池论文; 材料论文; 复合材料论文; 干燥论文; 溶液论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;