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            深入解讀動力電池對導熱材料的特殊要求

            導熱墊片

            1: 動力電池熱管理的重要性

            新能源汽車蓬勃發展,其安全性受到越來越廣泛的關注。動力電池包是新能源汽車相對傳統燃油車作出的最大改動,也是整車安全性設計的核心。目前,動力電池多數是鋰離子電池,而鋰離子電池在過充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應造成熱失控,導致冒煙、失火甚至爆炸等嚴重事故。而且,動力電池的性能,包括能量密度、使用壽命、放電倍率等受溫度影響極大,所以電池熱管理技術是新能源汽車的核心技術之一。在這個過程中,一種新型的導熱阻燃材料應運而生。

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            1 典型電池不同溫度、不同循環次數下容量衰減程度實驗結果(左)   Leaf Volt 在不同溫度下的續航里程統計(右)


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            2 因熱失控發生爆燃的電動車


            2 :汽車動力電池熱管理系統的目標

            汽車是人們出行的重要工具,作為電動汽車的“心臟”,動力電池熱管理系統是決定車體整體性能的關鍵。從產品應用角度出發,動力電池熱管理系統的目標可以細分為如下7個方面:

            (1) 保證單體電池處于適宜的工作溫度范圍,能夠高溫環境中將熱量及時轉移、低溫環境中迅速加熱或者保溫

            (2) 減小單體電池內部不同部位之間的溫度差異,保證單體電池的溫度分布均勻;

            (3) 保持電池組內部的溫度均衡,以避免電池間的不平衡而降低性能;

            (4) 消除因熱失控引發電池失效甚至爆炸等危險;

            (5) 滿足電動汽車輕型緊湊的要求,成本低廉、安裝維護簡便;

            (6) 有效通風,保證電池所產生的潛在有害氣體能及時排出,保證使用電池安全性;

            (7) 溫度等相關參數實現精確靈敏的監控管理制定合理的異常情況應對策略。


            3 :導熱材料在動力電池包中的關鍵作用

            為了更有效地控制電池溫度,越來越多的廠家開始拋棄成本更低但效果較差的風冷設計,新面世的旗艦級純電動車幾乎全部使用了液冷設計。使用液冷設計的電池包,當電池溫度較高時,電池發出的熱量將由冷板中的液體迅速轉移到電池包外部,實現快速降溫。液體的體積比熱容遠大于氣體,在相同流量下,其轉移熱量的效率遠超氣體,故而液體冷卻的能力大幅強于空氣冷卻。可以說,當使用液體冷卻方式時,熱量通過流體的轉移將不再是熱管理系統的瓶頸所在。

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            電池包液冷散熱示意圖(左:Panamera S E-hybrid;右:特斯拉Model S


            導熱界面材料在半導體行業的應用由來已久。其在傳統電子產品中的作用可以由下圖簡單闡述:

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            4 導熱界面材料作用示意圖

            受限于機械加工精度,剛性接觸面間會存有極細微的凹凸不平的空隙。圖4左圖示意了剛性接觸面間熱量傳遞的路徑。眾所周知,空氣導熱系數極低(25℃時,空氣導熱系數僅為0.026W/m.K),接觸面間的空隙會使得熱量的傳遞變得困難。在界面間填充高導熱柔性材料(導熱系數一般在1.0 W/m.K ~ 6.0 W/m.K之間)是降低接觸熱阻的有效方法。特殊場景中,導熱界面材料它還需要同時具備絕緣、吸波功能。為了保證熱量傳遞的通暢性,在電池包中,電池和冷板之間同樣需要貼附導熱界面材料。然而汽車動力電池包中的導熱界面材料,由于運用場景和面臨的問題與常規電子產品差異很大,其要求有很強的特殊性。

            4: LYA-HTS010導熱墊片談動力電池包對導熱材料需求的特殊性

            LYA-HTS010是一款專門為動力汽車電池包開發的導熱、阻燃、絕緣襯墊,我們先來看它的性能簡表:

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            通過采用特殊工藝,LYA-HTS010力學性能極佳,拉伸強度達到6MPa,是常規導熱襯墊的數十倍之多。極限狀態下的伸長率可達300%,完美適應汽車在運行中的各種碰撞、顛簸帶來的機械撕扯。同時,該材料歷經2000h120C高溫烘烤后,導熱系數仍基本維持不變。而且,LYA-HTS010阻燃效果也達到UL-94 V0等級,使用環保材料,滿足RoHS要求。

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            5 LYA-HTS010導熱、阻燃、絕緣襯墊實物圖

            該類型的導熱材料在圓柱形電池中已經廣泛應用,其可靠性已得到充分檢驗。

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            6 LYA-HTS010同類產品在特斯拉動力電池包中的實際運用

            除了上述關鍵性能,LYA-HTS010還具備多種其同類材料無法比擬的技術優勢,這些優勢可以減輕電池包整體重量,從而有助于實現更長的續航里程。

             

            4.1力學強度

            作為出行工具,汽車經常在高速下運行。汽車各項設計必須能夠應對千變萬化的真實路況。安全性無疑是汽車最關鍵的考核指標之一。汽車碰撞試驗是檢驗車體安全設計是否合格的重要環節。下左圖示意了汽車碰撞試驗圖。顯然,在這樣的撞擊下,車體內部各組件受到的沖擊是非常劇烈的。鋰電池的電極材料以及電解質均有易燃性,過充電、外短路、猛烈撞擊等均可能引發鋰電池自燃,造成安全事故。據美國FAA 的相關統計數據表明:1991~2007年間所發生的電池事故中,68%是由于內部或外部短路造成,15%是由于充電或放電造成,7%由于設備意外啟動,10%為其他原因。由此進證明,各種因素直接或間接造成的電池內、外部短路,是導致鋰電池安全事故發生的主要原因。

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            7 汽車碰撞試驗(左)和動力電池包在車體中的典型位置示意圖(右)

            由上述可知,電池包必須有可以緩震并且抗拉的材質來應對這種異常撞擊。可以從LYA-HTS010這一墊片的三個參數來理解它的適用性:

            1. 彈性極佳,LYA-HTS010硬度僅為Shore A 55度,在充分保證剛性面間貼合的基礎上,可以有效緩沖外部撞擊,吸收瞬間巨大的撞擊力,降低電池變形的風險


            2. 拉伸強度大。傳統電子行業的襯墊,輕輕拉扯即可撕破,但LYA-HTS010的拉伸強度達到6Mpa,這意味著在吸收外力的同時,它自身可以保持不斷裂,避免電池與金屬材質的液冷板接觸,減少電池之間發生短路的可能


            3. 伸長率高。車體在遭受巨大撞擊的時候,車身會發生變形。LYA-HTS010拉伸伸長率達到300%,即理想情況下,1m長的襯墊可以延展至3m而維持不斷裂。這可以充分保證在車身變形的情況下,電池仍然可以得到有效保護。


            值得注意的是,除硬度外,傳統電子行業,極少關注界面材料的拉伸強度或伸長率。這直接導致絕大多數傳統導熱材料在汽車中并不適用。LYA-HTS010材料的這些機械性能參數,完全是針對汽車的實際工況,進行的定制化研究。


            4.2 阻燃特性

            雖然力學強度極佳,但由于電池包能量密度極高,在極限沖擊狀態下,個別電池仍然有可能出現異常,發生爆燃。非常容易理解的是,作為緊密包裹在電池外的導熱界面材料,必須具備極佳的阻燃特性,防止燃燒的蔓延。可燃性UL94等級是應用最廣泛的塑料材料可燃性能標準。它用來評價材料在被點燃后熄滅的能力。根據燃燒速度、燃燒時間、抗滴能力以及滴珠是否燃燒可有多種評判方法。每種被測材料根據顏色或厚度都可以得到許多值。當選定某個產品的材料時,其UL等級應滿足塑料零件壁部分的厚度要求。UL等級應與厚度值一起報告,只報告UL等級而沒有厚度是不夠的。塑料阻燃等級由HBV-2V-1V-0逐級遞增。LYA-HTS010阻燃等級達到了最高等級UL 94V0 級別 可以有效避免火勢蔓延,降低事故風險。


            4.3 密度

            20164月,工業和信息化部、國家發展改革委、科技部聯合印發了《汽車產業中長期發展規劃》。規劃的新能源領域的階段性目標是:(1)到2020年,鋰離子動力電池單體比能量〉300Wh/kg;系統比能量爭取達到260Wh/kg;成本<1/瓦時.2)到2025年,新能源汽車占汽車產銷20%以上,動力電池系統比能量達到350 Wh/kg。同年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》也提到了純電動汽車動力電池的比能量目標是2020350Wh/kg2025年是400Wh/kg2030年是500Wh/kg。該目標與四部委提出的指標很接近。

            通過這些目標數據可見,動力電池能量密度和成本是最關注的指標。經過統計,獲悉動力電池包內約有1/3的重量被非電池占用.動力電池包中會使用大量的導熱界面材料,而且,隨著動力電池單體能量密度越來越高,導熱材料重量占比會越來越高。使用密度更低的界面材料顯然有助于減輕電池包整體重量,有利于續航。

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                圓柱電池

                軟包電池

                方形電池

            常規的導熱界面材料密度多數在2.5~3g/cm3,從性能簡表上可知,LYA-HTS010密度低至1.9 g/cm3。這個密度差,結合Tesla車體的核算,至少可使電池包減重1.2%。隨著電池單體能量密度提高,這一數值無疑還會持續提高。因此,低密度是動力電池包對導熱材料的另一點特殊要求。


            4.4絕緣特性

            在運行中,動力電池內部存在電流。已知的電池爆燃,直接原因幾乎都是電池短路(導致短路的原因則由很多,比如車身顛簸、撞車或電池本身構造不佳)。眾所周知的三星Note 7電池事件,就是由于手機結構設計過于冒險,導致電池易于在外界刺激下發生短路,產生爆燃。

            LYA-HTS010耐壓不低于7KV/mm,體積電阻率1.0 x 1014Ω.cm,完全滿足電池在高倍率充放電下的絕緣要求。

             

            5 :總結

            本文結合LYA-HTS010各項參數指標,深入解讀了動力電池包對導熱材料提出的特殊要求。作為一款高度融合動力電池包熱管理需求的導熱材料,LYA-HTS010各項性能都表現極其優異。我們也可以感受到,一種優異材料的開發,建立在許多環節之上。除了對各種材料物理化學特性的理解,對各種制作工藝的把控,深刻理解應用端的具體問題特點也至關重要。結合應用端的需求,創造一種新的材料,來解決這些問題,無疑需要非凡的智慧,更離不開長久的堅持。除了導熱阻燃襯墊,針對不同的熱管理需求,LYA還有許多其它同樣優異的導熱材料,諸如超低熱阻導熱凝膠,高可靠性導熱灌封膠,以及高度穩定的導熱硅脂等。LYA將長期堅持研究熱管理行業需求,不斷創新,持續提供深度貼合實際應用需求的導熱產品,協同促進熱管理問題的解決。


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