本发明涉及一种气凝胶隔热层及其制备方法，属于电池防护。
背景技术：
1、气凝胶是一种分散介质为气体的多孔材料，由其制成的气凝胶隔热层材料导热系数为0.020w/(m·k）左右，且具有超疏水、v0级阻燃、使用温度范围宽、寿命长、无毒环保等优点，与传统保温隔热材料相比，同等隔热效果下，气凝胶材料的厚度只需传统保温隔热材料的1/2~1/5，尤其在超高温环境下的隔热效果和阻燃性能，有着其它传统保温隔热材料无法比拟的优势。这一优势为解决锂离子电池热失控的防护问题带来了很大的利好，尤其随着新能源汽车的快速发展，锂离子电池的热失控防护问题的解决更显迫切。锂离子电池受到撞击、针刺或电池内部短路时，均会导致热量急剧增加，从而引起热失控，最终引发火灾或爆炸。且单个电芯发生热失控时，会将热量迅速传递到相邻的电芯，从而引起一系列的连锁反应，导致整个模组甚至整个电池包的热失控。用气凝胶隔热层材料来延缓或者阻止电池组热扩散以及火焰的蔓延是非常有效的手段，而且相比传统的保温隔热材料，如玻璃纤维棉、硅酸铝棉、复合隔热板等，气凝胶的热导率更低、厚度可以降低更多、防火防水性能优势更显著，此外气凝胶的使用寿命较长而且在寿命周期内防火保温性能几乎没有衰减。
2、尽管气凝胶隔热层材料非常适合用于锂离子电池的热失控防护，但目前市面上普遍使用的二氧化硅气凝胶，虽然具有相对较好的防护作用，但仍难以完全避免热失控问题的出现以致电池灾难性爆炸事故的发生。究其原因，主要有以下两点：1、现有的二氧化硅气凝胶隔热层材料的耐热温度，上限一般在600℃左右，但锂离子电池热失控的峰值温度很容易超过600℃，因此必须提高气凝胶隔热层材料的耐热温度；2、气凝胶隔热层材料高温火焰灼烧时的脆性大，力学强度不足导致其耐火焰烧蚀性差，难以保证有效的隔热阻火时间，进而导致整个电池包的灾难性热失控。
3、中国专利cn108892470a公开了一种减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶片材，将凝聚剂加入到溶剂中均匀搅拌，然后加入甲基三甲氧基硅烷和的硅源，搅拌均匀，加入凝胶促进剂，再次搅拌均匀，陈化凝胶形成的片材状湿凝胶，再进行至少两次溶剂置换，得到块状湿凝胶并进行干燥；汽车锂离子动力电池热管理系统用薄片包括减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶片材，用于锂离子动力电池的隔热和减振。该专利所制备的减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶片材，耐温性仅能达到350℃，难以为锂离子电池提供有效的热防护。
4、中国专利cn113443889a公开了一种电动汽车蓄电池用二氧化硅气凝胶玻纤毡复合材料薄板、隔热垫制品及其应用，薄板的制备方法：对湿法玻纤毡或玻纤布进行浸渍或喷淋二氧化硅水溶胶或金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶；喷淋补胶水溶胶；陈化、置换湿凝胶中的水；二氧化碳超临界干燥；隔热垫制品包括薄板和设于薄板四周的包封；应用于电动汽车蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护场合。该专利得到的二氧化硅气凝胶玻纤毡复合材料薄板，能耐受800℃的高温，但高温炙烤下的力学性能比较差，难以做到较长时间的防火隔热效果。
5、以上可以看到，气凝胶隔热层材料用于锂离子电池热失控防护时，仍存在耐热温度不够高、高温极端环境中的力学性能不足等问题，因此开发耐温高且高温下力学性能优异的气凝胶隔热层材料对于锂离子电池的安全使用具有非常重要的现实意义。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种气凝胶隔热层及其制备方法 ，实现以下发明目的：制备出适用于锂离子电池热防护使用的气凝胶隔热层材料，该材料耐高温性好，且高温下力学性能优异。
2、为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
3、一种气凝胶隔热层及其制备方法，所述气凝胶隔热层的制备方法包括水合硅酸铝纳米纤维分散液制备、溶胶制备、老化置换、干燥、热处理5个步骤；
4、以下是对上述技术方案的进一步改进：
5、步骤1、水合硅酸铝纳米纤维分散液制备
6、将n-甲基-2-吡咯烷酮、乙二醇和去离子水混合均匀后加入高速分散釜内，然后加入水合硅酸铝纳米纤维，控制分散速率5000~9000转/分下，强力分散4~8小时后，得到水合硅酸铝纳米纤维分散液；
7、所述水合硅酸铝纳米纤维的直径为10~70nm，长度为200~1000nm；
8、所述水合硅酸铝纳米纤维分散液中，n-甲基-2-吡咯烷酮、乙二醇、去离子水、水合硅酸铝纳米纤维质量比为5~11:1~4:100~160:10~45。
9、步骤2、溶胶制备
10、将三氯化铝、去离子水、无水乙醇、水合硅酸铝纳米纤维分散液加到混合釜内，控制搅拌速率300~650转/分下，搅拌20~35小时后得到氧化铝溶胶，同时在另外一个反应釜内加入zrocl2·8h2o 、去离子水、无水乙醇、正硅酸乙酯，然后在搅拌速率300~700转/分下搅拌24~36小时后，得到二氧化硅和二氧化锆复合溶胶，接着将二氧化硅和二氧化锆复合溶胶加入到氧化铝溶胶中，然后在搅拌速率400~700转/分下，搅拌40~60分钟后，再加入环氧丙烷，然后将搅拌速率提升至900~1200转/分下，搅拌30~50分钟后，停止搅拌，将搅拌混合好的溶胶倒入模具中，静置凝胶24~40小时后，得到复合凝胶；
11、所述氧化铝溶胶中，三氯化铝、去离子水、无水乙醇、水合硅酸铝纳米纤维分散液的质量比为20~55:65~110:30~80:40~70；
12、所述二氧化硅和二氧化锆复合溶胶中，zrocl2·8h2o 、去离子水、无水乙醇、正硅酸乙酯的质量比为15~45:85~120:20~60:20~40；
13、所述复合凝胶中，二氧化硅和二氧化锆复合溶胶、氧化铝溶胶、环氧丙烷，三者的质量比为30~70:15~50:1~4。
14、步骤3、老化置换
15、向复合凝胶中加入与复合凝胶体积相等的老化浸泡液，老化浸泡20~28小时后，将液体排出沥净后，再加入与复合凝胶体积相等的老化浸泡液，老化浸泡20~28小时后，将液体排出沥净，再加入与复合凝胶体积相等的置换液，浸泡24~36小时后，将液体排出沥净，再加入与复合凝胶体积相等的置换液，浸泡24~36小时后，得到老化置换的复合凝胶；
16、所述老化浸泡液，由二氧六环、n,n-二乙基羟胺、无水乙醇混合而成，二氧六环、n,n-二乙基羟胺、无水乙醇的质量比为3~9:1~2.5:50~90；
17、所述置换液，由甲基聚硅氮烷、3-二甲胺基乙基硅烷、正己烷混合而成，甲基聚硅氮烷、3-二甲胺基乙基硅烷、正己烷的质量比为5~11:0.5~2:80~120；
18、所述甲基聚硅氮烷的数均分子量为15000~25000g/mol，室温下的粘度为200~400mpa•s。
19、步骤4、干燥
20、将老化置换的复合凝胶放入烘箱中，以0.5~1℃/min的升温速率升温并恒温至50~65℃，恒温干燥6~9小时后，接着以0.5~1℃/min的升温速率升温并恒温至70~85℃，恒温干燥3~6小时后，继续以0.5~1℃/min的升温速率升温并恒温至110~125℃，恒温干燥2~5小时后，降至室温，得到干燥的气凝胶。
21、步骤5、热处理
22、将干燥的气凝胶放入马弗炉，以3~6℃/min的升温速率升温并恒温至900~1000℃，恒温热处理1~2.5小时后，得到气凝胶隔热层。
23、与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：
24、1、本发明以三氯化铝、zrocl2·8h2o 、正硅酸乙酯为原料制备出了二氧化硅、二氧化锆、氧化铝三元复合气凝胶隔热层，并加入水合硅酸铝纳米纤维来增强增韧气凝胶，这种纳米级硅酸铝纤维增强增韧的三元复合气凝胶，克服了单一二氧化硅气凝胶温度耐受上限只能达到550~600℃的限制，将耐温极限提升至1000℃以上，而且在1000℃高温下能够保持非常好的力学性能，从而使其特别适合用于锂离子电池的热失控防护；
25、2、本发明用n-甲基-2-吡咯烷酮、乙二醇两种极性有机溶剂对水合硅酸铝纳米纤维做了非常有效的分散，使其在水中达到了纳米级分散程度，水合硅酸铝纳米纤维表面有非常多的硅铝羟基，这些硅铝羟基之间存在非常强的氢键作用，使得水合硅酸铝纳米纤维之间存在非常严重的团聚现象，加入n-甲基-2-吡咯烷酮、乙二醇两种具有极性且含有氢键吸附作用的有机溶剂后，强力分散开的水合硅酸铝纳米纤维表面会吸附包裹上这两种溶剂分子，进而已经分散开的水合硅酸铝纳米纤维不会再次发生团聚，这样就保证了水合硅酸铝纳米纤维分散液中水合硅酸铝纳米纤维能够长时间保持纳米级的单分散状态；
26、3、本发明在老化浸泡液中加入的二氧六环、n,n-二乙基羟胺，这两种物质能够和硅烷醇基团以及氧化铝溶胶分子结构的末端羟基之间形成氢键来控制溶胶以及凝胶状态下各单体水解速率和缩合反应速率，从而抑制凝胶颗粒的过快生长，使凝胶颗粒和凝胶网络孔径大小均匀，这种均匀的网络降低了干燥应力并减小了干燥时的收缩，因而可以通过最小化干燥时的体积收缩来保持整个气凝胶的微观结构几乎不发生改变，这最大限度的增加了气凝胶整体骨架网络结构的强度和韧性，使其在高温环境中仍能保持极高的力学性能；
27、4、本发明在置换液中加入了甲基聚硅氮烷、3-二甲胺基乙基硅烷两种气凝胶的疏水改性剂，这两种物质可以使气凝胶表面具有疏
28、水性，减少凝胶孔隙内未反应硅烷醇以及其它极性官能团的数量，降低干燥时的不可逆收缩。同时，疏水基团的引入还会降低凝胶内部的刚性连接，增加气凝胶的柔性。此外疏水部分之间的相互排斥作用也促进了干燥时的回弹，这也为后续气凝胶的常压干燥提供了有利条件，保证了常压干燥过程中气凝胶内部网络微孔结构的稳定性，因而最终得到的气凝胶隔热层会拥有非常优异的力学性能和耐高温性能；
29、5、本发明得到的气凝胶隔热层，导热系数室温为0.021~0.025mw/(m·k)、400℃为0.026~0.029mw/(m·k)、600℃为0.032~0.038mw/(m·k)、800℃为0.040~0.043mw/(m·k)、1000℃为0.046~0.049mw/(m·k)，1000℃火焰下烘烤40分钟的厚度收缩率0.13~0.14%、质量损失率0.25~0.31%，锂离子电池模拟热失控测试中，热失控峰值温度1094~1136℃且在热失控峰值温度±200℃持续22~26分钟内，测试样品冷面温度为174~191℃。
1.一种气凝胶隔热层的制备方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的气凝胶隔热层的制备方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的气凝胶隔热层的制备方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的气凝胶隔热层的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求1-4任一所述的制备方法得到的气凝胶隔热层，其特征在于：
