煤科总院:面向煤炭行业高端化智能化绿色化发展的气凝胶材料应用
- 2026-03-11 18:43:56
■ 信息来源：煤科总院
为贯彻落实《国务院办公厅关于印发〈制造业绿色低碳发展行动方案(2025-2027年)〉的通知》，加快推广节能降碳先进技术，加强重点行业领域技术改造升级和大规模设备更新，近日工业和信息化部印发《国家工业和信息化领域节能降碳技术装备推荐目录》，文件列入“纳米气凝胶材料工业节能技术”。气凝胶性能优异、应用广泛，是当前新材料科学领域的重点研究方向之一。
文件中提到的纳米气凝胶材料藉由“溶胶-凝胶”法形成气凝胶网络结构，利用改性剂将凝胶表面羟基置换为烷基，使其变为憎水性凝胶，采用二氧化碳超临界萃取干燥除去湿凝胶中的溶剂，形成气凝胶玻璃纤维卷进行保温。较传统保温材料导热系数低、憎水率高，散热量降低50%以上。
经过20余年发展，我国气凝胶产业已形成较为完整的产业体系，正处于产业规模持续扩大，应用领域和规模加速扩展的快速“成长期”，并受到了国家和地方政策大力支持。例如，中共中央、国务院发布的“完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见”（中发〔2021〕36号）指出，推动气凝胶等新型材料研发应用；国务院发布的“2030年前碳达峰行动方案”（国发〔2021〕23号）指出，加快气凝胶等基础材料研发；工信部、国资委发布的“前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）”（工信部联原函〔2023〕213号）将高性能气凝胶隔热材料列入；工信部等四部委发布的《标准提升引领原材料工业优化升级行动方案（2025—2027年）》（工信部联科〔2024〕235号）将高性能气凝胶隔热材料纳入新材料标准创新工程。在上述政策的支持下，气凝胶已在电池热失控防护、建筑保温和工业保温隔热等场景得到了范围应用。
矿用电池热失控防护：气凝胶赋能新能源安全
锂离子电池热失控是制约其在煤炭行业安全使用的主要技术瓶颈之一，特别是井下场景，对电池的安全性和稳定性的要求远高于一般民用场景。利用气凝胶材料优异的绝热性能抑制电池单体热失控后的热扩散，已成为提升电池及电动设备安全性的重要途径。国内主流锂离子电池和电动汽车生产企业近年来开始广泛应用和推广气凝胶，例如2025年9月，宁德时代推出的磷酸铁锂动力电池产品，将气凝胶隔热垫作为该技术的关键部件。此外，耐高温气凝胶也可用于其他类型的储能电池或动力电池热防护，例如2024年，我国投运的首个大容量钠离子电池储能电站运用气凝胶作为电池单体间的热阻隔材料，大大提升了电池模块的安全性。
2025版《煤矿安全规程》明确要求井下电池电源中，电量超过2kWh的锂离子电池之间具有防止热扩散的措施。现有65％以上的煤矿监测、通信设备后备电源，绝大多数紧急避险设施应急供电电源，几乎所有的电动无轨胶轮车、机器人用电源，几乎所有的柴油机启动机用电源均采用了大容量锂离子电池，均需要高性能耐高温气凝胶抑制热扩散。针对矿用锂电池热失控扩散这一制约锂电池规模化应用的核心挑战，煤炭科学研究总院有限公司暨煤炭共性技术研究院（以下简称煤科总院）致力于开发矿用高效隔热耐高温气凝胶，为保障井下安全提供坚实保障。
（煤矿井下锂离子蓄电池应用新业态现状及热失控风险概述）
矿用建筑围护体系：气凝胶赋能零碳建筑
气凝胶隔热保温技术已在建筑节能领域成功应用，中国煤科重庆设计院建立了气凝胶在建筑工程领域的应用技术体系，在重庆渝中区红星亭坡居民之家项目使用气凝胶后，建筑本体节能率低至53.23%，每年减少碳排放4.5吨；在重庆大河文明馆项目使用气凝胶后，外围护结构热工性能提升了20%，建筑本体节能率和综合节能率达到了64.02%，达到绿色建筑三星级要求。
气凝胶隔热保温技术可推广至矿区办公建筑、生产辅助用房及职工生活建筑，包括建筑外围护结构（屋面、外墙、热桥等）、楼板隔音降噪、保温装饰一体化等。响应国家发展改革委、工业和信息化部和国家能源局发布的“关于开展零碳园区建设的通知”（发改环资〔2025〕910号）中关于推动新建建筑按照超低能耗建筑、近零能耗建筑标准设计建造的政策，依托气凝胶高性能围护材料，可显著降低矿区采暖、制冷及通风能耗，实现零碳建筑的构想，助力零碳矿山与零碳矿区建设。
煤化工高温装置保温：气凝胶赋能工业节能降碳
煤化工装置是煤炭清洁高效利用的核心装备，长期运行于高温、高压环境，对隔热保温材料的耐温稳定性、长期服役可靠性和空间适应性提出了高要求。耐高温气凝胶以其超低导热系数与超低密度等特性，已成为蒸汽管道、低温管道、高温装置等隔热保温的重要解决方案。相关工程实践表明，在化工高温装置中合理引入气凝胶保温体系，可解决传统保温层厚重、检修不便等问题，为节能降耗和低碳化改造提供了成熟可行的技术支撑。中国煤科煤科洁能首创融合“保温结构、材料厚度、耐温性”三位一体的蒸汽管道生命周期成本评价模型，证实“气凝胶+玻璃棉”组合综合性能最优，在成本节约与能效提升上实现双突破。
矿井热害防治新手段：气凝胶赋能灾害治理
2025版《煤矿安全规程》明确要求采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室超过 34℃时，必须停止作业，防止井下作业人员热应激、中暑及疲劳作业。随着我国矿井逐步进入深部开采阶段，主体开采深度已达800m且每年以8-12 m的速度向下开掘，可以预见深度超过1000 m的矿井，工作面温度达34-36 ℃，大部分矿井将进入一、二级热害区。在高温矿井热害治理中，气凝胶作为一种新型高效隔热材料展现出巨大应用潜力。已有研究提出“气凝胶隔热毡–锚网”一体化支护装置的创新设计，将气凝胶毡在地面与锚网预制结合，井下通过锚杆整体锚固，形成连续、密闭的柔性隔热层。该方法有望实现隔热与支护功能的集成，有效阻隔围岩热量向巷道传递，为解决深部开采中的高温热害问题提供了高效、可靠的工程技术路径。
井下人员热防护新方案：气凝胶赋能矿用工作/救援服装
柔性可穿戴气凝胶孔隙率高、比表面积大、密度低、导热系数低，具有高性能、多功能、结构可设计等优势，可用于矿用服装，是实现未来矿工及矿山救护队员个体防护装备高效热管理和舒适性的重要支撑，可解决矿用个体防护装备轻量化和防护性能提升的问题，为煤矿井下人员安全提供重要保障。
（气凝胶热管理应用）
另外，气凝胶在航空航天、隔声、催化、环保及防灭火等领域也有所应用。例如，2021年5月，我国“祝融号”火星车配备了高性能纳米气凝胶隔热层，成功应对了1000℃高温和昼夜温差约200℃的极端环境。
总体来看，气凝胶作为契合煤炭行业工况特征和转型需求的新型材料，已在矿用电池安全、矿区建筑节能、矿区工业保温、矿井热害防治以及井下人员个体防护等多个关键环节展现出显著综合效益或现实可行性。
煤科总院矿山新材料研究院聚焦矿山新材料与零碳矿山领域，致力于推动气凝胶材料在矿山典型场景中的技术攻关和应用，为实现煤炭行业高质量发展和“双碳”目标贡献坚实的科技力量。
（煤炭科学研究总院有限公司矿山新材料研究院王洪磊、吴兵、季静远）
参考文献
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[4] 姚韦靖,庞建勇.我国深部矿井热环境研究现状与进展[J].矿业安全与环保,2018,45(1):107-111.
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