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摘要：隨著電池包技術(shù)的飛速發(fā)展，電動(dòng)汽車(EV)制造商開始日益注重電池包的設(shè)計(jì)優(yōu)化。制造商致力于尋找更加輕量化、更加緊湊的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量密度并降低成本。與此同時(shí)，他們還尋求更簡單、更實(shí)惠的制造操作。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一個(gè)直接途徑是去掉電池模組的外殼，將單個(gè)電芯直接裝到冷卻板上，這種策略被稱為“無模組”設(shè)計(jì)[1-3]。在長期解決方案中，這一設(shè)計(jì)還旨在將電芯直接裝到車輛底盤，盡管這一設(shè)計(jì)很大程度上只是概念性的[3-4]。這些新興設(shè)計(jì)需要新型導(dǎo)熱膠粘劑，它們需要適合更苛刻的環(huán)境、滿足更高的機(jī)械性能條件。針對(duì)以上要求，本文將回顧導(dǎo)熱聚氨酯膠粘劑的最新發(fā)展，以了解它們?nèi)绾文軐⒎叫坞娦局苯诱车戒X制冷卻板上。本文還將比較無模組設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電池包之間的區(qū)別，同時(shí)介紹一下相關(guān)的膠粘劑解決方案。

簡介：當(dāng)前電池包設(shè)計(jì)在高度嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)以及豐富且可負(fù)擔(dān)的供應(yīng)鏈驅(qū)動(dòng)下，大多數(shù)電動(dòng)汽車制造商已采用通用電池包設(shè)計(jì)（見圖1）。這種電池包由多個(gè)電池模組組成，每個(gè)電池模組又包含一組單個(gè)的電芯。這一設(shè)計(jì)有助于對(duì)電池模組進(jìn)行控制、監(jiān)測和維修。此外，它還能為電池提供碰撞和環(huán)境保護(hù)，在模組之間和模組周圍形成電氣隔離，在熱失控的情況下有助于防止火勢蔓延。

 

圖1：示例——許多原始設(shè)備制造商采用的基于模組的電池包設(shè)計(jì)

 

從熱管理的角度來看，當(dāng)前基于模組化的電池包通常使用至少兩種熱界面材料(TIM)或“填縫膠”(GF)，如圖2所示。在液冷板的幫助下，兩種填縫膠有助于調(diào)節(jié)模組的溫度，確保安全高效的性能。上層的填縫膠用于填充兩個(gè)單個(gè)電池下側(cè)之間的大間隙，以及電池底部與模組外殼內(nèi)壁之間的間隙；這有助于將電池固定到位，同時(shí)提供連續(xù)的導(dǎo)熱(TC)路徑，讓熱量可以通過這一路徑傳輸。這種填縫膠，這里稱為電芯至模組(CTM)填縫膠，通常基于聚氨酯等化學(xué)物質(zhì)，提供強(qiáng)附著力和良好柔韌性，以幫助吸收應(yīng)力。

 

圖2：由方形電芯構(gòu)成模組的電池包結(jié)構(gòu)橫截面

 

下層填縫膠填充了電芯模組和整個(gè)電池包大型冷卻板之間的大空隙（見圖2）。這種填縫膠，這里稱為模組至電池包(MTP)的填縫膠，能夠在相鄰界面之間提供熱傳導(dǎo)，但與CTM填縫膠不同的是，它是輕輕粘附在冷卻板表面上。

這種低粘接強(qiáng)度有助于輕松移除模組，十分易于維修。MTP填縫膠通?；谌嵝曰瘜W(xué)主鏈，例如硅樹脂或軟聚氨酯。關(guān)于專為CTM、MTP以及輔助EV和電子應(yīng)用設(shè)計(jì)的CoolTherm®產(chǎn)品的更多信息和示例，請(qǐng)參閱文本[5-9]以及l(fā)ord.com/cooltherm中引用的白皮書。

 

1 下一代CTP設(shè)計(jì)

 

盡管傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)具有眾多優(yōu)勢，但也免不了存在不足之處。例如，模組的非活動(dòng)部分（如外殼、接線板、側(cè)板、內(nèi)部連接器、控制裝置等）會(huì)增加重量，占用體積，并最終犧牲電池包能量密度。此外，由于部件眾多，增加了設(shè)計(jì)、制造和供應(yīng)鏈物流的復(fù)雜性。鑒于這些挑戰(zhàn)，許多電動(dòng)汽車和電池制造商開始采用完全消除模組的方式，將電池直接粘接到冷卻板上，如圖3所示。這種新的無模塊方法被稱為無模組設(shè)計(jì)（CTP），根據(jù)電芯的設(shè)計(jì)方式，體積利用率可以增加15-50%[1-2]。此外，零件數(shù)量可以減少40%[2]。這一變化不僅顯著提高了電池包的能量密度、節(jié)省了空間，還能夠讓電動(dòng)汽車制造商選擇更經(jīng)濟(jì)、能量密度更低的電芯。

 

圖3：下一代無模組CTP電池包結(jié)構(gòu)橫截面

 

從熱管理的角度來看，新型CTP設(shè)計(jì)可以減少一半的熱界面材料（1 vs 2）以及一半的接口數(shù)量（2 vs 4），并且去掉了模組外殼。這種變化顯著降低了電池堆的熱阻，進(jìn)而降低了冷卻板的冷卻（或加熱）負(fù)荷，支持使用導(dǎo)熱率較低的填縫膠。另一方面，由于不再使用模組外殼來防止電池受到環(huán)境影響，因此這需要更嚴(yán)格的環(huán)境耐受性和機(jī)械性能。

例如，許多原始設(shè)備制造商現(xiàn)在需要能夠在85°C溫度、85%相對(duì)濕度(RH)條件下老化1000小時(shí)（6周）后仍能夠在聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯(PET)包裹的電芯和鋁制冷卻板之間實(shí)現(xiàn)牢固、靈活粘接的導(dǎo)熱填縫膠。PET主要用于為單個(gè)方形電芯提供額外的電絕緣層，以防止產(chǎn)生電弧。

為了滿足CTP趨勢以及相關(guān)要求，Parker LORD正在研發(fā)新的膠粘劑技術(shù)。本文將重點(diǎn)介紹導(dǎo)熱CTP聚氨酯膠粘劑的一些最新進(jìn)展。由于雙組分形式聚氨酯化學(xué)品在強(qiáng)度、延展性和配方通用性方面實(shí)現(xiàn)了良好平衡，所以我們選擇了這一材料。此外，還考慮了它在PET塑料和鋁基材上的粘接性能以及環(huán)境老化。將它與傳統(tǒng)的聚氨酯進(jìn)行了比較。如流變學(xué)、密度、導(dǎo)熱率和整體機(jī)械特性等其他特性也將進(jìn)行簡要討論。

 

2 實(shí)驗(yàn)

 

基于專為CTM應(yīng)用設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)化學(xué)品以及專為CTP應(yīng)用設(shè)計(jì)的新化學(xué)品，我們配制了兩種標(biāo)稱熱導(dǎo)率為1.5 W/m·K 的雙組分導(dǎo)熱聚氨酯。這些配方在本文中分別表示為“傳統(tǒng)CTM填縫膠”和“CTP膠粘劑”。根據(jù)ASTM D1002，在25.4 mm寬、0.8mm厚的6061-T6鋁(Al)基材，以及75um厚的用于商業(yè)電動(dòng)汽車應(yīng)用的透明PET薄膜上進(jìn)行了搭接剪切粘附測試。重疊長度和膠粘劑粘接層厚度分別設(shè)置為12.7 mm和0.3 mm。

 

圖4(a)和(b)分別展示了標(biāo)準(zhǔn)“鋁-膠粘劑-鋁”試樣（也表示為Al-Al）以及在膠層中間使用PET（也表示為Al-PET-Al)的示意圖。

 

圖4：基于(a) Al-Al和(b)Al-PET-Al粘接體的搭接剪切試樣的橫截面

 

在與膠粘劑配合之前，使用異丙醇和無絨布清潔試樣。膠粘劑從支裝膠中注入并在室溫下進(jìn)行粘接。為了加快達(dá)到完全固化的效果，在室溫下進(jìn)行機(jī)械測試之前，試樣在50°C下固化24小時(shí)（在室溫下為7天）。搭接剪切強(qiáng)度測試采用Instron Universal測試機(jī)以5 mm/min的測試速度進(jìn)行。試樣還按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A101D在85°C/85%RH下使用CSZ ZP-8 環(huán)境測試箱老化長達(dá)1000小時(shí)。除了附著力測試之外，還根據(jù)各自的ASTM或ISO標(biāo)準(zhǔn)測試方法，對(duì)CTP膠粘劑測量了整體特性（見表1）。

 

表1：在CTP膠粘劑上測試的整體特性以及使用的相應(yīng)測試方法

 

3 結(jié)果與討論

 

如前所述，由于缺乏保護(hù)性模塊化外殼，新型CTP設(shè)計(jì)需要膠粘劑在更嚴(yán)格的環(huán)境測試條件下保持出色的粘接性。眾多CTP設(shè)計(jì)者指出，在85°C和85%RH下暴露1000小時(shí)后的搭接剪切強(qiáng)度水平需要超過6 MPa。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，聚氨酯膠粘劑在長期暴露于85°C和85%相對(duì)濕度條件后通常難以保持較高的粘接性，這一點(diǎn)在塑料和鋁基材尤其難以實(shí)現(xiàn)。這對(duì)含有大量導(dǎo)熱填縫膠的膠粘劑提出了更大的挑戰(zhàn)。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室配方研發(fā)，我們?cè)陂L期環(huán)境老化的條件下取得了顯著的成果。圖5顯示了在85°C/85%RH條件下，1.5 W/m·K CTM填縫膠和新型CTP膠粘劑在Al-Al基材上的搭接剪切強(qiáng)度(LSS)時(shí)間函數(shù)圖。相應(yīng)的拉伸試樣在環(huán)境中老化0小時(shí)和1000小時(shí)后的照片如圖6所示。傳統(tǒng)的CTM填縫膠在僅老化336小時(shí)（2周）后就表現(xiàn)出LSS下降80%，在1000小時(shí)（6周）后進(jìn)一步降低。這種大幅下降主要是由于界面粘接力喪失導(dǎo)致，從粘附/內(nèi)聚破壞混合到完全粘附破壞的轉(zhuǎn)變見圖6(a)。新型CTP膠粘劑在整個(gè)加速老化測試中表現(xiàn)出高水平的Al-Al粘接力，數(shù)值高于10MPa。此外，膠粘劑在老化1000小時(shí)后繼續(xù)表現(xiàn)出內(nèi)聚破壞，如圖6(b)所示。

 

圖5：在Al-Al基材試樣中，傳統(tǒng)CTM填縫膠和新型CTP膠粘劑老化時(shí)間對(duì)搭接剪切強(qiáng)度的影響

 

圖6：(a)傳統(tǒng)CTM填縫膠和(b)新型CTP膠粘劑在85°C/85%RH條件下老化0小時(shí)和1000小時(shí)后對(duì)Al-Al LSS試樣進(jìn)行機(jī)械測試的破壞模式照片

 

我們還在混合Al-PET-Al基板上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以模擬PET包裹的電芯與下層鋁冷卻板之間的粘接。圖7和圖8分別顯示了LSS結(jié)果和破壞表面在85°C/85%RH條件下的時(shí)間函數(shù)。正如之前在Al-Al基材上看到的那樣，傳統(tǒng)CTM填縫膠的LSS隨時(shí)間的推移而迅速下降。強(qiáng)度水平與相應(yīng)的Al-Al值相當(dāng)，初始破壞是膠粘劑與鋁和膠粘劑與PET的混合破壞，老化后轉(zhuǎn)變?yōu)樵阡X上完全破壞。這些結(jié)果表明，當(dāng)暴露于高溫和高濕條件下時(shí)，CTM填縫膠無法對(duì)鋁保持足夠的粘接強(qiáng)度。但Al-PET-Al上的CTP膠粘劑在85°C/85%RH條件下老化后表現(xiàn)出強(qiáng)大的粘接力。搭接剪切強(qiáng)度隨時(shí)間的推移略有下降，但仍保持在7MPa以上，如圖7所示。破壞模式是PET基材破壞和PET膠粘劑界面處的膠粘劑破壞的混合。

 

圖7：在Al-PET-Al基材試樣中，傳統(tǒng)CTM填縫膠和新型CTP膠粘劑老化時(shí)間對(duì)搭接剪切強(qiáng)度的影響

 

 

圖8：(a)傳統(tǒng)CTM填縫膠(GF)和(b)新型CTP膠粘劑(Adh)在85°C/85%RH條件下老化0小時(shí)和1000小時(shí)后對(duì)Al-PET-Al LSS試樣進(jìn)行機(jī)械測試的破壞模式照片

 

除了膠粘劑性能外，還對(duì)新型CTP膠粘劑的關(guān)鍵整體特性進(jìn)行了表述，如表2和圖9所示。Parker LORD新型CTP膠粘劑不僅能夠提供為便于操作所需的流變平衡，還能帶來車輛輕量化所需的低密度；其有效的電池?zé)峁芾砟軌虺尸F(xiàn)良好導(dǎo)熱性，強(qiáng)大的整體特性能夠輕松應(yīng)對(duì)機(jī)械負(fù)載，同時(shí)具有低介電常數(shù)，可以防止電荷積聚（見圖9）。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，表2和圖9中的數(shù)值展示了新型CTP膠粘劑技術(shù)能夠提供的組合性能。我們的科研人員和工程師可以定制CTP膠粘劑性能以滿足特定CTP應(yīng)用的要求。

表2：新型CTP膠粘劑的整體特性

 

圖9：測試頻率對(duì)新型CTP膠粘劑介電常數(shù)的影響

 

4 結(jié)論

 

新研發(fā)的導(dǎo)熱膠粘劑設(shè)計(jì)用于嚴(yán)苛的環(huán)境條件，可以將PET塑料直接粘接到鋁上。與CTM填縫膠不同，這些新型CTP膠粘劑能夠提供優(yōu)異的導(dǎo)熱性，在85°C和85%RH條件下老化1000小時(shí)（6周）后仍能保持高水平的粘接性。CTP模組設(shè)計(jì)具有低密度、可流動(dòng)性、低介電常數(shù)等眾多優(yōu)勢，能夠讓電池和電動(dòng)汽車制造商實(shí)現(xiàn)更高的電池包能量密度，同時(shí)降低制造成本。

 

參考文獻(xiàn)

 

1. “下一代電池包設(shè)計(jì)：從比亞迪刀片電池到無模組電池包”；BatteryBits，在線文章，2020年10月，https://medium.com/batterybits/the-next-generation-batterypack- design-from-the-byd-blade-cell-to-module-free-battery-pack- 2b507d4746d1

2. 寧德時(shí)代創(chuàng)新科技網(wǎng)站URL: https://www.catl.com/en/ research/technology

3. “寧德時(shí)代揭秘電芯至底盤EV電池的續(xù)航里程超過500英里”；InsideEVs，在線文章，2020年8月，URL: https://insideevs. com/news/438849/catl-cell-to-chassis-batteries-more-range

4. “制造更好的電池：中國對(duì)化學(xué)和設(shè)計(jì)的見解，”麥肯錫公司，在線文章，2021年4月；https:// www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/ourinsights/ building-better-batteries-insights-on-chemistry-and-designfrom-china#

5. Parker LORD“CoolTherm®熱管理材料”網(wǎng)站URL: https://www.lord.com/products-and-solutions/electronicmaterials/ thermal-management-materials

6. Parker LORD電子在線博客，“如何選擇和使用導(dǎo)熱填縫膠”；URL: https://www.lord.com/blog/electronics/ how-to-choose-and-use-thermal-gap-fillers

7. “液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料與導(dǎo)熱墊片：導(dǎo)熱性能的對(duì)比研究”，Tim Fornes、Eric Wyman 和Alaina Hull，Parker LORD白皮書(LL3248, 2018)URL：https://files.lord.com/pdf/44/LL3248_GapFillersvsThermalPads.pdf

8. “電池冷卻性能：液態(tài)導(dǎo)熱填縫膠與導(dǎo)熱墊片的比較”，Daniel Barber、Eric Wyman、Parker LORD白皮書（LL3250，2019） URL: https://files.lord.com/pdf/44/LL3250_BatteryCoolingPerformance.pdf

9. “恰到好處的應(yīng)力：用于EV電池包填縫膠的可再加工性，”Anu Tripathi，Parker Lord 白皮書（LL3251，2020） URL: https://files.lord.com/pdf/44/LL3251_ReworkabilityofGapFillers.pdf