新能源汽车导热结构胶及制件行业专题:结构创新国产替代加速

在不改变电池系统总能量的情况下,电池系统质量降低能够有效提高其续航里程,电动汽车质量减10%,能提高续驶里程5.5%。 电池系统重量在新能源汽车总重量中占有较大的比重。较传统燃油汽车而言,电动汽车核心的三电系统(电池、电机、电控)和智能化设备,使 得电动车相比同类车型电动乘用车重量增加10%-30%,电动商用车重量增加10%-15%,其中电池Pack整包占整车整备质量的18%~30%。 根据《节能与新能源汽车技术路线年,燃油乘用车整车轻量化系数降低25%,纯电动乘用车整车轻量化系数降低35%,相比 于燃油车,新能源汽车轻量化需求更强。

材料迭代+结构优化,轻量化结构件。以特斯拉Model3为例,电池Pack各主要部件中,质量最大的是电芯本体(62.8%),其次为Pack下箱体 (6.2%)、模组壳体及支架(12.3%)和BMS等部件集成系统(11.1%)等。从这些部件出发,通过材料替换和结构设计优化,对电池进行轻 量化开发。 对于电芯模组轻量化设计,可通过改进电芯排布优化电芯间距;利用能量密度高的材料作为电芯正负极;使用密度较低的灌封胶解决热传导问 题;减少模组对于电池pack和底盘轻量化设计,除了电池Pack采用铝合金等轻质的材料之外,还可通过CTB、CTC等技术,将电池和车身进 一步集成化。减少模组壳体及其他附件质量的数量从而大幅降低电池质量;小模组-大模组-CTP-CTC/CTB,动力电池集成方式创新精简模组壳体和非必要 部件质量。在轻量化趋势下,结构件和焊接减少,从而增加了胶粘剂的使用量。

Cell to Pack(CTP) :减少或去除电池“电芯-模组-整包”的三级 Pack结构的技术。目前有两种不同的技术路 线:以比亚迪刀片电池为代表的彻底取消模组 的方案;以宁德时代CTP技术为代表的小模组 组合成大模组的方案,提高了能量密度和体积 利用率。CTP中电芯热失控管理难度加大,对 内部结构导热胶对模组散热的要求,以及外部 隔热胶隔热和阻燃的要求更高。

目前消费者对于新能源汽车需求从“里程焦虑”转向“安全焦虑” ,热失控已经成为电动车安全问题核心考量因素。热失控是电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象,发生时通常伴随着冒烟、起火、爆炸等危害。在电池组中,若局部区域电池发生的热失控事件失去控制,将扩展到周围区域的电池,形成“多米诺骨牌”效应,最终引起热失控在系统 内扩展而导致极大的危害,因此,热失控扩展的抑制尤为重要。对良好的机械安全性,包括抗冲击能力以及震动稳定性的需求提升,是使得新能源车内导热、隔热材料需求提升的原因之一。

相比于传统汽车,电动车由于增加了电池、电机、电控等部件,对于热管理所用胶粘剂在性能、数量上都带来了更大的市场空间。为平衡电池效率与热安全保护,需防止单体热扩散。为了提高能量密度而使用高镍三元正极材料时,锂离子易形成锂枝晶刺穿内部隔膜导致短 路,同时由于材料间键强不同,随镍含量的增加电池热稳定性下降。因此为了防止让电池单体自燃扩散至整个动力电池包,一般厂商通过控制 影响(如隔热)和保持温度(如泄压、散热)两方面解决。 不同电芯使用的防火隔热材料不同。目前三元电池系统中主要在采用的防火隔热材料主要有气凝胶、隔离板、隔热泡棉、热陶瓷。由于不同形 状电芯的膨胀率、比表面积、热失控难易程度不同,不同公司采用不同防火隔热材料进行隔热处理。

在新能源汽车轻量化趋势下,对于连接形式选择,可降低结构件用量,提升用胶量来减轻电池重量;对于用胶选择,在相同体积下,密度较低 的胶粘剂能够大幅降低动力电池质量,因此低密度是重要选择标准。 以聚氨酯发泡胶、有机硅发泡胶为代表的发泡胶在拥有减震、缓冲、隔音、保护、绝缘为一体的优势的同时,具有密度低的特点。以集泰股份推出集泰-有机硅发泡胶F6351为例,常规导热灌封胶比重1.8~2.2相比,同等体积填充下,胶的重量可减少50%以上,用于动力电 池热管理可以做到轻量化隔热效果。

导热需求:锂离子电池充放电电流较大,并伴随着多种化学物质传输和电化学反应,散热条件较差,引起电池内部温度升高。车辆底盘空间有 限,电池模块必须紧密排列。然而紧密排列的电池一方面容易导致热量堆积,且不同位置的电芯往往温度也不完全一致。离子电池工作温度 30-40℃时,温度每升高1℃,电池使用寿命越降低2个月。 隔热需求:导热不畅情况下,过高的温度易导致冒烟、起火、爆炸等危险需要有效,需要在有良好的隔热效果的基础上保证阻燃效果。 保温需求:低温下,电解液增稠致使导电介质运动受阻,电化学反应速率和反应深度降低,从而导致电池容量下降,动力电池宏观表现出冬季 环境下电动汽车“亏电”现象。 除热管理系统外,动力电池通常使用具有高导热性、强绝缘性的导热胶为动力电池传导热量,降低电芯间温差;隔热胶则可防止电池内部爆炸 时的热量快速传导,在发生热失控事故时给乘客较长的逃生时间,此类胶通常绝热性、耐热性和阻燃性较好。

基于CTP的热管理方法:新型CTP设计可以减少一半的热界面材料,从原有模组上层电芯至模组(CTM)填缝胶和下层模组至电池包(MTP)的填 缝胶变成1层电芯到冷却板的导热胶粘剂;并减少了一半的接口数量,从原有的4个变为现有的2个接口,还去掉了模组外壳。这显著降低了电 池堆的热阻,进而降低了冷却板的冷却(或加热)负荷,支持使用导热率较低的填缝胶。另一方面,由于不再使用模组外壳来防止电池受到环 境影响,需要导热胶拥有更严格的环境耐受性和机械性能。

汽车工业已经成为建筑和轻工业以外最受关注的胶粘剂应用领域。20世纪90年代以后,汽车工业随着中国经济的高速增长有了长足的发 展,我国汽车大规模生产能力的提升也带动了车用胶粘剂的市场规模增长。 传统燃油车胶粘剂应用点众多,种类有聚氨酯胶、有机硅橡胶、厌氧胶、丙烯酸酯胶等,应用于汽车装配中不同的模块,包括车体结构 粘接密封;汽车内饰的粘接固定;汽车箱体结合面的粘接密封;金属材料间的粘接等。相对于新能源汽车而言,传统燃油汽车动力模式 较为固定,相对而言胶粘剂的应用点和应用量也较为固定,通常为2-3kg/辆,后续增量空间较小。除了将零件固定在一起之外,燃油车传动系统胶粘剂应用还专注于密封冷却剂、燃料、润滑剂和空气/气体,同时防止污染物进入,而电 动汽车传动系统胶粘剂功能还包括将湿气、水、空气、灰尘和其他污染物阻挡在系统之外。

电芯层面,动力电池安全性对于隔热材料的要求不断提升,一方面需要隔绝外界温度变化对电芯的影响,一方面需降低相邻电芯互相的 热量影响,隔热材料的隔热性、耐热性和阻燃性都是重要改进方向。 极耳胶带需要具有耐高温,耐热, 耐锂离子电池电解液,耐溶剂,高电气绝缘性,粘着力适宜和贴服性以及再剥离不残胶等特性。

电池包中应用的胶粘剂主要有结构胶(导热与绝缘)、灌封和密封胶(密封和导热)、功能性胶(导热和导电)几种。结构胶主要用于 结构件的固定和上下壳体与电芯的连接,密封胶主要用于壳体的密封保护,灌封胶主要起到灌封和导热作。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注