气凝胶：颠覆性新材料，双碳时代的“隔热王者”，这个“隔热王者”凭借导热系数低2-3个数量级、厚度减半、寿命翻倍的颠覆性优势，加速替代传统材料。新能源车电池安全刚需 + 建筑节能千亿市场，驱动渗透率飙升！宁德时代、比亚迪供应链布局已现，2025年市场规模剑指百亿！今天带大家了解气凝胶的制备方法和过程。
气凝胶材料的制备涵盖多个关键环节，主要包括溶胶 - 凝胶化、老化、改性以及干燥等步骤。其中，溶胶 - 凝胶化过程是前驱体溶胶通过聚集缩合反应形成凝胶的过程。由于刚生成的湿凝胶三维结构强度不足，极易破碎坍塌，所以通常需要在母体溶液中经历一段时间的老化来增强其强度，或者借助表面改性手段减小干燥应力。干燥过程则是用空气置换湿凝胶孔隙中的溶液并将其排出。
以SiO₂气凝胶为例，它是目前研究最为广泛的无机气凝胶。其溶胶 - 凝胶化过程是硅源经水解和缩聚反应，最终形成具有三维网络结构的SiO₂气凝胶。具体反应机理如下：首先是水解反应，Si(OR)₄ + 4H₂O → Si(OH)₄ + 4HOR（式1）；接着是缩聚反应，nSi(OH)₄ → (SiO₂)n + 2nH₂O（式2）。通过调节反应溶液的pH值、温度、物料质量比以及催化剂类型，能够控制水解和缩聚反应的相对速率，进而实现对凝胶结构的调控。
老化过程方面，凝胶老化是指在凝胶形成后，将其持续浸泡在含有前驱体的溶剂中。在此过程中，混合溶液里的小凝胶团和溶胶颗粒会进一步聚集并相互黏附，最终延伸至整个凝胶网络。一般采用醇类溶剂和烷类溶剂对老化后的凝胶进行洗涤，以去除孔中残留的水分。
（一）溶胶 - 凝胶化过程
1、正硅酸酯类为硅源
正硅酸甲酯和正硅酸乙酯是制备二氧化硅时常用的前驱体，以其为前驱体制备的气凝胶样品纯度较高。然而，正硅酸酯类具有一定毒性且价格相对昂贵。其反应方程式如下：水解反应为Si(OC₂H₅)₄ + 4H₂O → Si(OH)₄ + 4C₂H₅OH；缩聚反应为2Si(OH)₄ → (OH)₃Si - O - Si(OH)₃ + H₂O。
2、硅溶胶为硅源
3、水玻璃为硅源
（二）超临界干燥
超临界干燥法是最早提出且应用最为普遍的干燥方式。该方法是将干燥溶剂的温度和压强均提升至超临界点以上，以此消除凝胶孔洞内的气液界面，实现对样品的干燥。为防止溶剂蒸发，在超临界干燥前，会预先向高压釜内充入一定量的N₂进行预增压。通常用于超临界干燥的试剂有以乙醇为代表的有机溶剂和液态CO₂两类。与有机溶剂相比，液态CO₂作为干燥介质更为安全，而且其较低的超临界温度和压力能使凝胶骨架在干燥过程中基本保持原状，凝胶表面的化学基团也相对稳定。不过，CO₂超临界干燥存在溶剂替换过程漫长的问题，并且要求被替换的溶剂能与液态CO₂互溶，这导致时间成本较高。但超临界CO₂干燥法工艺成熟，配套的工艺包完善，是市面上众多气凝胶生产企业采用的生产工艺，像爱彼爱和、晨光新材、宏柏新材等公司均采用此方法。
（三）常压干燥
常压干燥无需使用超临界干燥所需的高压釜，但同样需要经历漫长的溶剂替换过程，目的是避免在干燥过程中凝胶吸水以及气液界面张力对凝胶骨架造成破坏。通常在常压干燥前，需将凝胶内的溶剂替换为表面张力较小的试剂，然后对凝胶表面进行修饰处理，即将凝胶表面亲水的羟基替换为疏水的甲基，最后再进行干燥。与超临界干燥相比，常压干燥在保持气凝胶微观结构的同时，有效降低了干燥过程的危险性，是常见干燥方法中操作最为简便、成本最为经济的方法。常压干燥工艺有助于降低气凝胶的生产成本，但工艺难度相对较大。
目前，气凝胶干燥的主流工艺包括超临界干燥和常压干燥。其中，常压干燥在设备投入和生产成本方面具有显著优势。随着我国干燥技术的不断创新与突破，通过采用低成本的无机硅源搭配常压干燥技术，取代高成本的有机硅源超临界制备工艺，不仅大幅缩短了制备时间，还缩短了投资回收期，使制造成本降低至超临界干燥技术的1/20。由此可见，常压干燥技术具有广阔的发展前景。
目前，气凝胶用于电池零部件是诸多企业比较关注的，从专利申请量看，蜂巢能源科技股份有限公司属于领头羊，宁德时代新能源科技股份有限公司紧随其后，而湖北亿纬动力有限公司、江苏泛亚微透科技股份有限公司和合肥国轩高科动力能源股份公司的申请量相同，并列第三。可以看出气凝胶在制造业的地位越来越重要，以上便是小编为大家整理的气凝胶的制备方法和过程
