2021年冬天，在清华大学从事博士后研究工作的李磊正在研发全新的气凝胶制备方法，可将常规方法用了个遍，也没能获得实质性进展。一天，他和朋友来到清华大学近春园散步，在那片诞生《荷塘月色》的知名池塘里，只有枯枝败叶在冰面上随风飘零，冰面上还有一小堆未化的雪。当目光停留在雪堆和冰面的交界处时，李磊突然来了灵感。

  冰面上的雪堆反复冻融，雪化在冰里，冰包住了雪。在这一过程的启发下，李磊开发出一种领域内首创的制备气凝胶的方法，即碎冰模板法，利用该办法能够大规模组装同性纳米纤维气凝胶。

  近日，李磊的导师、清华大学教授伍晖与北京大学研究员韦小丁、南京大学教授朱嘉、中北大学副教授李伟伟合作，使用具有普适性、可控的碎冰模板法，大规模制备出一种更加松软有弹性且超级绝热的陶瓷纤维气凝胶。相关研究成果发表于《自然-通讯》。

  1931年，美国学者斯特勒使用超临界方法制备出世界上第一款气凝胶，但该产品不仅贵，产量也很少。百年时光荏苒，如今气凝胶家族成员已发展出几十种，它们以极低的密度、极小的孔径、极低的隔热系数、极低的声音传播速度等优点而闻名，多样化的产品形式使其应用灵活性更好广泛，遍布石化、军工、航天、电池、环保、建筑、交通等各个领域。

  在导师的指导下，李磊想探索制备陶瓷材料纤维气凝胶新方法。这类气凝胶成分和陶瓷一样，最轻的只有每立方厘米0.6毫克重，可以伫立在蒲公英的顶端，拥有非常良好的柔性、高温稳定性和低热导率。

  随着电动汽车的快速发展和普及，气凝胶成为动力电池包的重要组成部分，越发受到关注。李磊明显感受到，我国在气凝胶科研和生产领域已经跃居领头羊，但相关研发仍然遇到很多阻碍。一方面，国外专利壁垒的限制导致我国公司制作的气凝胶难以走出国门，急需拥有全新专利的产品；另一方面，原来的超临界法耗能大、产量低、价格高，急需改进。

  伍晖表示，把微观结构组装成可以大规模制造、大尺寸成型的轻质宏观体材料，是重要的科学挑战，也是产业界面临的共性问题。

  与传统的超临界方法不同，李磊一开始就使用自己课题组更擅长的冷冻合成法试水。遗憾的是，老办法终究没能诞生新奇迹——产出的气凝胶没有力学性能，一碰就散。其实，传统冷冻手段太单一、冰晶生长不可控的缺点很明显，李磊明知道问题出在哪儿，可就是想不出更好的办法解决。

  每年下雪后，树坑里的雪堆时间久了就不再松软，踩上去硬邦邦的，几乎变成一块冰。当北方这种最常见的现象忽然出现在李磊视线里时，他脑海中迅速回放了最近几十天这堆雪是如何从蓬松变得硬实的过程——久久无人清理的雪堆经过反复融化和冰冻，冰晶的边缘实现了融合，减少了缝隙，加固了整个材料的结构，这是雪堆变硬的原因。

  此后，李磊的试验速度突飞猛进，他们把新发展的碎冰模板法工艺描述为一种动态冷冻方法。实验室里，李磊操控着手掌大小的低温鼓，将它的转速控制在每分钟50转，刮板抬高3毫米，淋在低温鼓上的浆液迅速冷冻，又被精确切割为碎冰晶。

  “这一步，与夏季冰镇饮品的做法颇为类似。”说完，李磊又把碎冰晶与纤维溶液混合搅拌，经过-20℃低温冷冻干燥和600℃高温煅烧等复杂步骤，最终打造出纯无机气凝胶。“说它是胶也行，称为海绵更合适。它的成分和陶瓷一样，但却松软有弹性，这就是纳米材料的神奇之处。”李磊对《中国科学报》记者说。

  冰块切雪花，再压实成为冰块，看似多此一举，实则是关键一招。因为平板冷冻效率太低，冰晶生长厚度有上限，而动态冷冻生成的材料热传递效率更加高，生长厚度没有限制。

  “另外，连续旋转冷冻能控制冰晶的产生方向，调控气凝胶微观结构，颗粒直径极小的铝硅酸盐借助冰晶的生长，被塑造为理想的结构，生成了类似海绵的结构。”李磊通过与李伟伟合作进行计算流体动力学仿真，证实了旋转冷冻在制备碎冰中体现出高能量传递效率。

  新的碎冰制备方法不仅速度快、不易发生颗粒沉降，还做出了传统方法难以达到的大型尺寸。

  伍晖表示，这种制备工艺具备相容性，可以拓展到聚丙烯腈纳米纤维、芳纶纳米纤维、纤维素纳米纤维和碳纳米管等材料，具有较高的应用价值。

  新研发的气凝胶被李磊应用于动力电池的燃烧试验。电池起火是电动汽车自燃最主要的原因，仅2021年，我国就发生了3000多起电动汽车起火事故。导致电池热失控的根源是电池里面一系列复杂且相互关联的“链式副反应”，从局部短路到大面积短路，热失控传播像多米诺骨牌倒塌一样迅速蔓延到整个系统。

  李磊模拟了一次人为诱导的热失控传播过程。实验室里，他为4块满充状态的53Ah三元八系高镍动力电池装备了超薄“防火墙”，加热板把最外层的电池加热到200℃，进而引发了电池里面短路，温度最高升至875℃。伴随着电压消失，电池逐渐膨胀，释放的浓烟布满了整个实验室，火星朝周围溅射，在红外相机和8个测量温度的热电偶的见证下，被气凝胶保护起来的相邻电池的开路电压从始至终保持稳定，表面温度未达到热失控传播的触发温度200℃。而没有“防火墙”保护的电池在同样的试验条件下被逐个点燃。

  李磊说，从成分看，陶瓷纤维成分是铝硅酸盐，本身就具有高热稳定性和化学稳定性，不易起火。从疲劳测试结果来看，陶瓷纤维气凝胶经1000次压缩循环后无显著损坏，在承受30%至90%的压缩应变后可以完全恢复到原始状态。从电池燃烧实验结果看，5毫米厚的陶瓷纤维气凝胶可以完全阻止破坏性热失控传播，而且由于它的低密度特性，就没有给整个电动系统增加负担。

  据介绍，实验室产出的超细陶瓷纤维长期耐温性为1200℃，在超级绝热材料中最高，远高于电池起火时800℃的温度。

  伍晖表示，高端材料的普及和量产，必须从实验室走出去，应用在国民经济真正需要的地方。面向未来，基于陶瓷纤维的绝热材料可以为应对电网储能系统的安全挑战、开发先进轻量化电池系统提供更大帮助。