新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力電池高端導(dǎo)熱膠粘劑的研發(fā)與性能評(píng)估

摘要：在動(dòng)力電池的運(yùn)行環(huán)節(jié)中，電池電芯會(huì)釋放出一定的熱量。鑒于電芯的理想工作溫度區(qū)間較為有限（一般在20～40 ℃之間），若不能迅速且有效地將熱量排出，就有可能引起電池過熱失控，產(chǎn)生電池冒煙、自燃甚至爆炸等嚴(yán)重的安全隱患，嚴(yán)重影響電池的性能指標(biāo)及其使用壽命。先進(jìn)的高導(dǎo)熱膠粘劑可以促進(jìn)電芯之間以及電芯與散熱系統(tǒng)如液冷管之間的熱量傳遞效率，保證電池在合適的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)均勻散熱并減少電芯間的溫度差，這對(duì)于完善電池的熱管理機(jī)制、增強(qiáng)電池安全性能和綜合性能具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞：新能源電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；高端導(dǎo)熱膠粘劑；研發(fā)；性能評(píng)估

中圖分類號(hào)：U469.7" " " 收稿日期：2024-01-06" " " DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.020

Research and Performance Evaluation of High end Thermal

Conductive Adhesive for Power Batteries of New Energy

Electric Vehicles

Fang Guoqiang Zhou Anan Zhou Xiaojun Ni Xu Yan Xiaolei

1.Zhejiang Huisheng Investment Group Co.，Ltd.，Quzhou 324000，China

2.Zhejiang Chuangji Silicone Materia Co.，Ltd.，Quzhou 324000，China

Abstract：During the operation of power batteries， the battery cells release a certain amount of heat. Given that the ideal operating temperature range of battery cells is relatively limited （generally between 20℃ and 40℃ ， if heat cannot be quickly and effectively dissipated， it may cause the battery to overheat and lose control， leading to serious safety hazards such as smoking， spontaneous combustion， and even explosion. This will also seriously affect the performance indicators and service life of the battery. Advanced high thermal conductivity adhesives can promote heat transfer efficiency between battery cells and between battery cells and cooling systems such as liquid cooling pipes， ensuring that the battery operates within a suitable temperature range， achieving uniform heat dissipation and reducing temperature differences between battery cells. This plays an extremely important role in improving the thermal management mechanism of batteries， enhancing battery safety performance， and overall performance.

Key words：New energy electric vehicles;Power battery;High end thermal conductive adhesive;Research and development;Performance evaluation

1 前言

隨著科技進(jìn)步的日新月異，電子元件及其裝置正朝著更小型化、高頻化、高集成度方向迅速演進(jìn)。在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中，功能性結(jié)構(gòu)的矛盾和工藝難題往往與散熱要求背道而馳，導(dǎo)致電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量更為巨大且集中。若不能迅速排出這些熱量，便會(huì)形成熱量的積聚。在微觀層面，過熱可導(dǎo)致材料形變和裂隙;在宏觀層面，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障，對(duì)電子元件或設(shè)備造成損害，甚至威脅用戶安全。根據(jù)美國國防部發(fā)布的設(shè)備可靠性報(bào)告，當(dāng)設(shè)備溫度超過75 ℃時(shí)，設(shè)備的失效因子將呈現(xiàn)指數(shù)式上升，具體如圖1所示。此時(shí)，導(dǎo)熱膠粘劑（TCA）的應(yīng)用便能有效地解決這一難題。

2 高端導(dǎo)熱膠粘劑的研發(fā)要點(diǎn)

2.1 導(dǎo)熱膠的組成成分及特性

導(dǎo)熱膠的核心構(gòu)成分為樹脂基質(zhì)與熱傳導(dǎo)填充物兩大類別，這些組分的挑選及其相互作用對(duì)于粘合劑的傳熱性能至關(guān)重要，直接關(guān)系到其在電池溫控管理中的適用性。此外，這些組分的不同配比同樣會(huì)對(duì)粘合劑的各類性能表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響。在導(dǎo)熱膠的基材選擇上，常用的基材有環(huán)氧類、硅酮類以及聚氨酯類等。環(huán)氧類基材因其出色的粘合力、抗化學(xué)品侵蝕能力以及機(jī)械屬性而廣泛應(yīng)用于電池領(lǐng)域，能夠確保導(dǎo)熱膠緊密固定在電池的核心部件上，確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性[1]。

在熱傳導(dǎo)填充材料的選擇上，常見的有氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）、氮化硅（Si3N4）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鎂（MgO）和氧化鋅（ZnO）等類型。氮化鋁以其優(yōu)良的熱導(dǎo)率而著稱，能顯著提高粘合劑的導(dǎo)熱能力。氮化硼同樣擁有出色的熱傳導(dǎo)性能，并且還具備優(yōu)秀的電絕緣特性和化學(xué)惰性，在高溫條件下表現(xiàn)穩(wěn)定，但價(jià)格同樣較高。

2.2 新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力電池高端導(dǎo)熱膠粘劑研發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)

在當(dāng)前情境下，導(dǎo)熱功能填料對(duì)于導(dǎo)熱膠粘劑的作用極為關(guān)鍵，業(yè)界的研發(fā)重點(diǎn)通常聚焦于導(dǎo)熱粒子的創(chuàng)新、改良以及混合搭配等層面。這類填料可以分類為碳質(zhì)、金屬及陶瓷三大類，其導(dǎo)熱性能指標(biāo)在表1中有詳盡的描述。恰當(dāng)挑選導(dǎo)熱功能填料進(jìn)行混合，能夠有效提升導(dǎo)熱膠粘劑的導(dǎo)熱效率。碳質(zhì)填料主要涵蓋碳納米管、石墨、石墨烯以及碳纖維，它們以卓越的熱導(dǎo)率、較高的比表面積和輕盈的重量獲得青睞。尤其是碳納米管（CNTS），憑借其卓越的機(jī)械與物理屬性，吸引了眾多研究者的目光，其導(dǎo)熱能力極強(qiáng)，單壁碳納米管（SWCNTS）的熱導(dǎo)率可達(dá)到6 000 W/（m·K），而多壁碳納米管（MWCNTS）則為3 000 W/（m·K），且具備超高的長(zhǎng)徑比（大于1 000）[2]。

3 新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力電池高端導(dǎo)熱膠粘劑的性能評(píng)估

3.1 導(dǎo)熱性能評(píng)估

熱傳導(dǎo)效率是評(píng)估高級(jí)別熱粘接劑性能的核心要素之一，精確測(cè)量其熱傳導(dǎo)效率顯得尤為重要。通過對(duì)熱傳導(dǎo)效率的測(cè)量，可以直接掌握該粘接劑的熱傳遞性能，從而判斷其是否符合新能源車用動(dòng)力電池的熱控制要求。現(xiàn)階段，廣泛采用的熱傳導(dǎo)效率測(cè)量技術(shù)主要分為穩(wěn)態(tài)測(cè)量法和瞬態(tài)測(cè)量法兩大類[3]。

在穩(wěn)態(tài)傳熱技術(shù)中，熱流法依據(jù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的基本理論，實(shí)施過程中將待測(cè)物置于兩個(gè)熱流感應(yīng)器之間，待溫度梯度穩(wěn)定后，通過對(duì)物體厚度的測(cè)量、上下板間的溫差以及物體傳導(dǎo)的熱量進(jìn)行記錄，進(jìn)而計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)的具體數(shù)值，此法特別適用于導(dǎo)熱性能較低的材料。護(hù)熱平板法的原理與熱流法近似，通過特定的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)試樣的一維垂直熱流，在試樣內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度梯度后，通過檢測(cè)不同模塊的溫度和熱能輸出以確定導(dǎo)熱系數(shù)。

而在瞬態(tài)熱分析技術(shù)中，激光閃射法通過激光器在設(shè)定溫度條件下發(fā)射短時(shí)光脈沖，使樣品表面快速吸收光能并升溫，表面作為熱源點(diǎn)將熱量一維傳導(dǎo)至冷端，利用紅外探測(cè)器捕捉表面溫度的變動(dòng)，從而計(jì)算出熱擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)合其他參數(shù)求得材料的熱導(dǎo)率，這種方法常用于高導(dǎo)熱性界面材料和小型固體材料的測(cè)試。平面熱源法則是將具有自加熱功能的測(cè)溫探頭置于樣品之中，施加穩(wěn)定的加熱功率使其升溫，記錄探頭及其周邊特定距離處圓球面溫度隨時(shí)間的變化情況，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合分析，以此同時(shí)獲取樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)，該技術(shù)適用范圍廣泛，測(cè)試種類多，準(zhǔn)確度高。

3.2 粘接性能評(píng)估

膠接接頭的堅(jiān)固度直接影響了粘合劑連接不同組件的結(jié)實(shí)度。在動(dòng)力電池的使用背景下，比如電池芯與pack外殼的結(jié)合，必須確保接頭的強(qiáng)度足夠強(qiáng)大，這樣才能在車輛行駛遭遇振動(dòng)、加減速度以及環(huán)境溫度的變換等多樣化條件下，維持電池芯與外殼的緊密結(jié)合，避免脫膠等問題的發(fā)生，確保電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性[4]。

另外，膠接的破壞模式也是評(píng)估的重要指標(biāo)，其中以凝聚力破壞為最優(yōu)情況。凝聚力破壞指的是膠粘劑在外力作用下于膠體本身內(nèi)部發(fā)生斷裂，而不是在粘合劑與被粘物的接觸面斷裂，這表明粘合劑實(shí)現(xiàn)了接頭材料的最大強(qiáng)度，充分發(fā)揮了其粘接力，保證了連接部位的力學(xué)性能可靠性。

膠體的延展斷裂性能是關(guān)鍵指標(biāo)，它充分展現(xiàn)了膠質(zhì)材料的彈性行為。在動(dòng)力電池的應(yīng)用中，面對(duì)溫度波動(dòng)和充放電循環(huán)導(dǎo)致的體積微小變動(dòng)，適當(dāng)延展性的膠粘劑能夠依賴其彈性變形來緩解這些影響，防止應(yīng)力集中造成的粘接失敗，確保電池組件連接的持久穩(wěn)固。

3.3 阻燃性評(píng)估

在新能源電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)中，高端導(dǎo)熱膠粘劑的阻燃性能至關(guān)重要。在電池運(yùn)作過程中可能遭遇極端溫度或短路等非常規(guī)狀況，此時(shí)膠粘劑的阻燃特性直接影響著電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。目前，評(píng)價(jià)阻燃性的主要標(biāo)準(zhǔn)包括UL94標(biāo)準(zhǔn)和《汽車禁用物質(zhì)要求》（GB/T30512—2014）。以UL94-V0等級(jí)為例，這一高標(biāo)準(zhǔn)的阻燃要求意味著導(dǎo)熱膠粘劑在接觸明火時(shí)可以迅速自行熄滅，有效防止火勢(shì)擴(kuò)散，從而防止電池組全面燃燒或爆炸等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。例如，金菱通達(dá)公司生產(chǎn)的一些高性能導(dǎo)熱膠粘劑，其阻燃等級(jí)符合UL94-V0標(biāo)準(zhǔn)，能夠在離開火源后立即熄滅，為電池的安全使用提供了有力保障。

在確保電池使用安全性的層面上，一旦電池內(nèi)部某個(gè)單節(jié)電池發(fā)生熱失控并出現(xiàn)火焰，此時(shí)，如果所使用的膠粘劑具有優(yōu)異的阻燃特性，就如同建立了一道阻止火勢(shì)蔓延的防線，它能夠有效隔絕火源，避免火勢(shì)蔓延至鄰近的電池單元和其他組件，從而為電池的保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)贏得寶貴時(shí)間，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。無論是車輛在行駛過程中還是充電時(shí)，阻燃性能較為突出材料都能大幅減少由電池引發(fā)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保障車內(nèi)乘員的生命安全以及車輛周邊環(huán)境的安全[5]。

3.4 耐老化性評(píng)估

對(duì)于高端導(dǎo)熱粘接劑，其抗老化特性同樣不容忽視，這主要是考慮到新能源汽車使用的動(dòng)力電池需在多變的使用環(huán)境中長(zhǎng)期工作，承受著溫度和濕度的周期性變化及惡劣條件的考驗(yàn)。在評(píng)定其耐老化性能時(shí)，一般會(huì)模擬實(shí)際環(huán)境對(duì)材料進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，記錄其性能指標(biāo)的變化。例如，將試樣置于125 ℃的恒溫箱中保持1 000 h，此時(shí)要檢測(cè)其導(dǎo)熱性和絕緣性能的下降是否控制在10%以內(nèi)；或者把試樣放置于85 ℃、濕度為85%的恒溫恒濕箱中持續(xù)1 000 h，監(jiān)測(cè)其性能指標(biāo)的變化；另外，還會(huì)執(zhí)行快速溫度變化的測(cè)試，將導(dǎo)熱膠樣本置于快速溫變箱中進(jìn)行，按照例如冷熱沖擊（-55～125 ℃，500個(gè)周期）的循環(huán)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，檢查導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱和絕緣性能是否還在規(guī)定的允許變化范圍內(nèi)。

優(yōu)異的抗老化特性確保了膠粘劑在長(zhǎng)期服役期間，能夠持續(xù)保持其粘合和散熱等功能不受影響。一旦抗老化能力不足，隨著時(shí)間的推移，膠粘劑可能會(huì)出現(xiàn)粘接力減弱、散熱性能退化等現(xiàn)象，這將對(duì)電池內(nèi)部電芯的互連以及電芯與外殼的連接穩(wěn)定性造成影響，干擾電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的正常工作，引起電池性能的降低，進(jìn)而減少電池的使用壽命，這對(duì)于新能源電動(dòng)汽車的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是不利的[6]。

4 結(jié)語

高端導(dǎo)熱膠粘劑具有增強(qiáng)電池效能、確保使用安全、延長(zhǎng)使用壽命及促進(jìn)車身減重等優(yōu)勢(shì)，為新能源汽車的發(fā)展提供了強(qiáng)勁助力。它在新能源汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中扮演著至關(guān)重要的角色，成為推動(dòng)該產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健增長(zhǎng)的核心助力因素之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]饒勇剛，趙新偉，陳亮.航空燈具產(chǎn)品導(dǎo)熱膠粘劑研究現(xiàn)狀[J].中國膠粘劑，2023，32（3）：58-63.

[2]許永倫，龐云嵩，任琳琳，等.高性能導(dǎo)熱膠粘劑熱界面材料：機(jī)理、現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國膠粘劑，2023，32（1）：44-54.

[3]丁冉.快結(jié)晶型水性聚氨酯的制備及其在導(dǎo)熱膠粘劑上的應(yīng)用[D].合肥：安徽大學(xué)，2021.

[4]孫思薇.氧化石墨烯/AlN復(fù)合高導(dǎo)熱環(huán)氧膠粘劑的開發(fā)[Z].陜西紡織器材研究所有限責(zé)任公司，2021-04-01.

[5]喬韻豪.橡膠金屬熱硫化膠粘劑及其應(yīng)用研究[D].太原：中北大學(xué)，2020.

[6]李成東.淺談導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2020（5）：179．

作者簡(jiǎn)介：

方國強(qiáng)，男，1971年生，工程師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程。

周安安（通訊作者），男，1973年生，教授，總經(jīng)理，研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程。