动力电池对导热材料的特殊要求

1 动力电池热管理的重要性

新能源汽车蓬勃发展,其安全性受到越来越广泛的关注。动力电池包是新能源汽车相对传统燃油车作出的最大改动,也是整车安全性设计的核心。目前,动力电池多数是锂离子电池,而锂离子电池在过充电、针刺、碰撞情况下易引起连锁放热反应造成热失控,导致冒烟、失火甚至爆炸等严重事故。而且,动力电池的性能,包括能量密度、使用寿命、放电倍率等受温度影响极大,所以电池热管理技术是新能源汽车的核心技术之一。在这个过程中,一种新型的导热阻燃材料应运而生。

动力电池对导热材料的特殊要求

 

图1 典型电池不同温度、不同循环次数下容量衰减程度实验结果(左)   Leaf 和Volt 在不同温度下的续航里程统计(右)

 

动力电池对导热材料的特殊要求

图2 因热失控发生爆燃的电动车

 

2 汽车动力电池热管理系统的目标

汽车是人们出行的重要工具,作为电动汽车的“心脏”,动力电池热管理系统是决定车体整体性能的关键。从产品应用角度出发,动力电池热管理系统的目标可以细分为如下7个方面:

  • 保证单体电池处于适宜的工作温度范围,能够在高温环境中将热量及时转移、低温环境中迅速加热或者保温;
  • 减小单体电池内部不同部位之间的温度差异,保证单体电池的温度分布均匀;
  • 保持电池组内部的温度均衡,以避免电池间的不平衡而降低性能;
  • 消除因热失控引发电池失效甚至爆炸等危险;
  • 满足电动汽车轻型、紧凑的要求,成本低廉、安装与维护简便;
  • 有效通风,保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出,保证使用电池安全性;
  • 温度等相关参数实现精确灵敏的监控管理,制定合理的异常情况应对策略。

 

3 导热材料在动力电池包中的关键作用

为了更有效地控制电池温度,越来越多的厂家开始抛弃成本更低但效果较差的风冷设计,新面世的旗舰级纯电动车几乎全部使用了液冷设计。使用液冷设计的电池包,当电池温度较高时,电池发出的热量将由冷板中的液体迅速转移到电池包外部,实现快速降温。液体的体积比热容远大于气体,在相同流量下,其转移热量的效率远超气体,故而液体冷却的能力大幅强于空气冷却。可以说,当使用液体冷却方式时,热量通过流体的转移将不再是热管理系统的瓶颈所在。

动力电池对导热材料的特殊要求

图3 电池包液冷散热示意图(左:Panamera S E-hybrid;右:特斯拉Model S)

导热界面材料在半导体行业的应用由来已久。其在传统电子产品中的作用可以由下图简单阐述:

动力电池对导热材料的特殊要求

图4 导热界面材料作用示意图

受限于机械加工精度,刚性接触面间会存有极细微的凹凸不平的空隙。图4左图示意了刚性接触面间热量传递的路径。众所周知,空气导热系数极低(25℃时,空气导热系数仅为0.026W/m.K),接触面间的空隙会使得热量的传递变得困难。在界面间填充高导热柔性材料(导热系数一般在1.0 W/m.K ~ 6.0 W/m.K之间)是降低接触热阻的有效方法。特殊场景中,导热界面材料它还需要同时具备绝缘、吸波功能。为了保证热量传递的通畅性,在电池包中,电池和冷板之间同样需要贴附导热界面材料。然而,汽车动力电池包中的导热界面材料,由于运用场景和面临的问题与常规电子产品差异很大,其要求有很强的特殊性。

4 从LYA-HTS010导热垫片谈动力电池包对导热材料需求的特殊性

LYA-HTS010是一款专门为动力汽车电池包开发的导热、阻燃、绝缘衬垫,我们先来看它的性能简表:

通过采用特殊工艺,LYA-HTS010力学性能极佳,拉伸强度达到6MPa,是常规导热衬垫的数十倍之多。极限状态下的伸长率可达300%,完美适应汽车在运行中的各种碰撞、颠簸带来的机械撕扯。同时,该材料历经2000h下120C高温烘烤后,导热系数仍基本维持不变。而且,LYA-HTS010阻燃效果也达到UL-94 V0等级,使用环保材料,满足RoHS要求。

 

动力电池对导热材料的特殊要求

图5 LYA-HTS010导热、阻燃、绝缘衬垫实物图

该类型的导热材料在圆柱形电池中已经广泛应用,其可靠性已得到充分检验。

动力电池对导热材料的特殊要求

图6 LYA-HTS010同类产品在特斯拉动力电池包中的实际运用

除了上述关键性能,LYA-HTS010还具备多种其同类材料无法比拟的技术优势,这些优势可以减轻电池包整体重量,从而有助于实现更长的续航里程。

 

4.1力学强度

作为出行工具,汽车经常在高速下运行。汽车各项设计必须能够应对千变万化的真实路况。安全性无疑是汽车最关键的考核指标之一。汽车碰撞试验是检验车体安全设计是否合格的重要环节。下左图示意了汽车碰撞试验图。显然,在这样的撞击下,车体内部各组件受到的冲击是非常剧烈的。锂电池的电极材料以及电解质均有易燃性,过充电、外短路、猛烈撞击等均可能引发锂电池自燃,造成安全事故。据美国FAA 的相关统计数据表明:1991~2007年间所发生的电池事故中,68%是由于内部或外部短路造成,15%是由于充电或放电造成,7%由于设备意外启动,10%为其他原因。由此进证明,各种因素直接或间接造成的电池内、外部短路,是导致锂电池安全事故发生的主要原因。

动力电池对导热材料的特殊要求

图7 汽车碰撞试验(左)和动力电池包在车体中的典型位置示意图(右)

由上述可知,电池包必须有可以缓震并且抗拉的材质来应对这种异常撞击。可以从LYA-HTS010这一垫片的三个参数来理解它的适用性:

  1. 弹性极佳,LYA-HTS010硬度仅为Shore A 55度,在充分保证刚性面间贴合的基础上,可以有效缓冲外部撞击,吸收瞬间巨大的撞击力,降低电池变形的风险;
  2. 拉伸强度大。传统电子行业的衬垫,轻轻拉扯即可撕破,但LYA-HTS010的拉伸强度达到6Mpa,这意味着在吸收外力的同时,它自身可以保持不断裂,避免电池与金属材质的液冷板接触,减少电池之间发生短路的可能;
  3. 伸长率高。车体在遭受巨大撞击的时候,车身会发生变形。LYA-HTS010拉伸伸长率达到300%,即理想情况下,1m长的衬垫可以延展至3m而维持不断裂。这可以充分保证在车身变形的情况下,电池仍然可以得到有效保护。

值得注意的是,除硬度外,传统电子行业,极少关注界面材料的拉伸强度或伸长率。这直接导致绝大多数传统导热材料在汽车中并不适用。LYA-HTS010材料的这些机械性能参数,完全是针对汽车的实际工况,进行的定制化研究。

4.2 阻燃特性

虽然力学强度极佳,但由于电池包能量密度极高,在极限冲击状态下,个别电池仍然有可能出现异常,发生爆燃。非常容易理解的是,作为紧密包裹在电池外的导热界面材料,必须具备极佳的阻燃特性,防止燃烧的蔓延。可燃性UL94等级是应用最广泛的塑料材料可燃性能标准。它用来评价材料在被点燃后熄灭的能力。根据燃烧速度、燃烧时间、抗滴能力以及滴珠是否燃烧可有多种评判方法。每种被测材料根据颜色或厚度都可以得到许多值。当选定某个产品的材料时,其UL等级应满足塑料零件壁部分的厚度要求。UL等级应与厚度值一起报告,只报告UL等级而没有厚度是不够的。塑料阻燃等级由HB,V-2,V-1向V-0逐级递增。LYA-HTS010阻燃等级达到了最高等级UL 94 V0级,可以有效避免火势蔓延,降低事故风险。

4.3 密度

2016年4月,工业和信息化部、国家发展改革委、科技部联合印发了《汽车产业中长期发展规划》。规划的新能源领域的阶段性目标是:(1)到2020年,锂离子动力电池单体比能量〉300Wh/kg;系统比能量争取达到260Wh/kg;成本<1元/瓦时.(2)到2025年,新能源汽车占汽车产销20%以上,动力电池系统比能量达到350 Wh/kg。同年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》也提到了纯电动汽车动力电池的比能量目标是2020年350Wh/kg, 2025年是400Wh/kg, 2030年是500Wh/kg。该目标与四部委提出的指标很接近。

通过这些目标数据可见,动力电池能量密度和成本是最关注的指标。经过统计,获悉动力电池包内约有1/3的重量被非电池占用.动力电池包中会使用大量的导热界面材料,而且,随着动力电池单体能量密度越来越高,导热材料重量占比会越来越高。使用密度更低的界面材料显然有助于减轻电池包整体重量,有利于续航。

动力电池对导热材料的特殊要求

常规的导热界面材料密度多数在2.5~3g/cm3,从性能简表上可知,LYA-HTS010密度低至1.9 g/cm3。这个密度差,结合Tesla车体的核算,至少可使电池包减重1.2%。随着电池单体能量密度提高,这一数值无疑还会持续提高。因此,低密度是动力电池包对导热材料的另一点特殊要求。

4.4绝缘特性

在运行中,动力电池内部存在电流。已知的电池爆燃,直接原因几乎都是电池短路(导致短路的原因则由很多,比如车身颠簸、撞车或电池本身构造不佳)。众所周知的三星Note 7电池事件,就是由于手机结构设计过于冒险,导致电池易于在外界刺激下发生短路,产生爆燃。

LYA-HTS010耐压不低于7KV/mm,体积电阻率1.0 x 1014Ω.cm,完全满足电池在高倍率充放电下的绝缘要求。

 

5 总结

本文结合LYA-HTS010各项参数指标,深入解读了动力电池包对导热材料提出的特殊要求。作为一款高度融合动力电池包热管理需求的导热材料,LYA-HTS010各项性能都表现极其优异。我们也可以感受到,一种优异材料的开发,建立在许多环节之上。除了对各种材料物理化学特性的理解,对各种制作工艺的把控,深刻理解应用端的具体问题特点也至关重要。结合应用端的需求,创造一种新的材料,来解决这些问题,无疑需要非凡的智慧,更离不开长久的坚持。除了导热阻燃衬垫,针对不同的热管理需求,LYA还有许多其它同样优异的导热材料,诸如超低热阻导热凝胶,高可靠性导热灌封胶,以及高度稳定的导热硅脂等。LYA将长期坚持研究热管理行业需求,不断创新,持续提供深度贴合实际应用需求的导热产品,协同促进热管理问题的解决。

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