鉅大LARGE | 點擊量：691次 | 2023年02月10日
動力鋰離子電池包工藝系列——導(dǎo)熱膠基礎(chǔ)的介紹
單純的機械組裝方法所暴露的缺點越來越多，無法滿足動力鋰電池安全不斷提升的要求，膠粘劑組裝或者配合組裝，彌補了機械組裝的不足。應(yīng)用在動力鋰電池組裝中的膠黏劑類型包括，結(jié)構(gòu)膠粘劑、導(dǎo)熱膠粘劑、焊點保護膠和密封膠等等。膠粘劑對提升動力鋰電池性能和安全性，在多個方面發(fā)揮用途。用膠的目的大體分為4類：固定，傳熱，阻燃，防震，而膠的具體使用形式如墊片、灌封、填充等。
今天從導(dǎo)熱膠的基本特性開始。
在熱設(shè)計中往往要考慮電池充放電功率與發(fā)熱量和散熱能力之間的平衡問題。鋰離子電池的性能對溫度極其敏感，獲得適當?shù)墓ぷ鳒囟?，對充分發(fā)揮電池性能，維護合理電池壽命都有重要意義。合理選擇熱傳遞介質(zhì)，不僅要考慮其熱傳遞能力，還要兼顧生產(chǎn)中的工藝、維護操作性、優(yōu)良的性價比。從原理說起。
導(dǎo)熱膠為何導(dǎo)熱
導(dǎo)熱膠重要由樹脂基體[EP（環(huán)氧樹脂）、有機硅和PU（聚氨酯）等]和導(dǎo)熱填料組成。導(dǎo)熱填料的種類、用量、幾何形狀、粒徑、混雜填充和改性等對導(dǎo)熱膠之導(dǎo)熱性能都有影響。導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱原理：固體內(nèi)部導(dǎo)熱載體重要為電子、聲子（在介電體中，導(dǎo)熱是通過晶格的振動來實現(xiàn)的，晶格振動的能量是量子化的，這種晶格振動的量子稱為聲子）。金屬內(nèi)部存在著大量的自由電子，通過電子間的相互碰撞可傳遞熱量；無機非金屬晶體通過排列整齊的晶粒熱振動導(dǎo)熱，通常用聲子的概念來描述；由于非晶體可看成晶粒極細的晶體，故非晶體導(dǎo)熱也可用聲子的概念進行分析，但其熱導(dǎo)率遠低于晶體；大多數(shù)聚合物是飽和體系，無自由電子存在，因此，在膠粘劑中加入高導(dǎo)熱填料是提高其導(dǎo)熱性能的重要方法。導(dǎo)熱填料分散于樹脂基體中，彼此間相互接觸，形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，使熱量可沿著導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)迅速傳遞，從而達到提高膠粘劑熱導(dǎo)率的目的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
導(dǎo)熱膠一般有哪幾種形式
為了適合各種環(huán)境和要求，對可能出現(xiàn)的導(dǎo)熱問題都有妥善的對策，導(dǎo)熱產(chǎn)品有非常多的細分類型，這里不僅限于動力鋰電池系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用場景。
1）相變導(dǎo)熱絕緣材料利用基材的特性，在工作溫度中發(fā)生相變，從而使材料更加貼合接觸表面，同時也獲得了超低的熱阻，更加順暢的進行熱量傳遞，可用于填充模組間隙，向模組外部傳遞熱量。
2）導(dǎo)熱導(dǎo)電襯墊
高導(dǎo)熱能力和低電阻的導(dǎo)熱材料，一般在電子電器內(nèi)部使用，其熱傳導(dǎo)能力和材料本身具備的柔韌性，很好的貼合了功率器件的散熱和安裝要求。
3）熱傳導(dǎo)膠帶用在發(fā)熱器件與散熱器之間的粘接，能同時實現(xiàn)導(dǎo)熱、絕緣和固定的功能，能減小設(shè)備的體積，是降低設(shè)備成本的一項選擇。
4）導(dǎo)熱絕緣彈性橡膠良好的導(dǎo)熱能力和高等級的耐壓，符合目前電子行業(yè)對導(dǎo)熱材料的需求，是替代硅脂導(dǎo)熱膏加云母片的二元散熱系統(tǒng)的最佳產(chǎn)品。該類產(chǎn)品安裝便捷，利于自動化生產(chǎn)和產(chǎn)品維護，是極具工藝性和實用性的新型材料。
5）柔性導(dǎo)熱墊一種有較厚的導(dǎo)熱襯墊，專門為利用縫隙傳遞熱量的設(shè)計方法生產(chǎn)，能夠填充縫隙，完成發(fā)熱部位與散熱部位的熱傳遞，同時還能起到減震、絕緣、密封等用途，這個就很適合電池模組內(nèi)部的應(yīng)用。6）導(dǎo)熱填充劑也可以作為導(dǎo)熱膠使用，不僅具有導(dǎo)熱的功效，也是粘接、密封灌封材料。通過對接觸面或罐狀體的填充，傳導(dǎo)發(fā)熱部件的熱量。圓柱電池模組是典型應(yīng)用了。
7）導(dǎo)熱絕緣灌封膠導(dǎo)熱絕緣灌封膠適用于對散熱性要求高的電子元器件的灌封。該膠固化后導(dǎo)熱性能好，絕緣性優(yōu)，電氣性能優(yōu)異，粘接性好，表面光澤性好。只是膠用量太大的話，電池包能量密度會被拉低。
影響導(dǎo)熱膠性能的因素有什么
填充型膠粘劑的熱導(dǎo)率重要取決于樹脂基體、導(dǎo)熱填料及兩者形成的界面，而導(dǎo)熱填料的種類、用量、粒徑、幾何形狀，混雜填充及表面改性等因素均會對膠粘劑的導(dǎo)熱性能出現(xiàn)影響。
1）導(dǎo)熱填料的種類和用量
填料種類和用量均會對膠粘劑熱導(dǎo)率出現(xiàn)影響。當填料較少時，填料被基體樹脂完全包裹，絕大多數(shù)填料粒子之間未能直接接觸；此時，膠粘劑基體成為填料粒子之間的熱流障礙，抑制了填料聲子的傳遞，故不論添加何種填料都不能顯著提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。隨著填料用量的新增，填料在基體中逐漸形成穩(wěn)定的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，此時熱導(dǎo)率迅速新增，并且填充高熱導(dǎo)率填料更加有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。然而，填料的熱導(dǎo)率過大也不利于體系熱導(dǎo)率的提高。研究表明：當填料與基體樹脂的熱導(dǎo)率之比超過100時，復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高并不顯著。
上一個研究實例中顯示的數(shù)據(jù)，用以說明填料的量與傳熱性能的關(guān)系。在膠粘劑中添加高導(dǎo)熱填料后，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨填料用量新增而顯著提升。研究表明：當w（人造金剛石SD）=20%（相關(guān)于環(huán)氧樹脂EP質(zhì)量而言）時，熱導(dǎo)率為0.335W（/mK）；當w（SD）=50%時，熱導(dǎo)率為1.07W（/mK），較純樹脂提高了3.5倍；當w（SD）<20%時，體系的熱導(dǎo)率緩慢新增；當w（SD）>20%時，體系的熱導(dǎo)率迅速上升。這是因為當w（SD）>20%時，顆粒之間開始相互接觸，逐漸形成導(dǎo)熱鏈；當w（SD）=50%時，顆粒之間大量接觸，形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，故熱導(dǎo)率顯著提高。
2）導(dǎo)熱填料的粒徑和幾何形狀
當填料用量相同時，納米粒子比微米粒子更加有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。納米粒子的量子效應(yīng)使晶界數(shù)目新增，從而使比熱容增大且共價鍵變成金屬鍵，導(dǎo)熱由分子（或晶格）振動變?yōu)樽杂呻娮觽鳠幔始{米粒子的熱導(dǎo)率相對更高；同時，納米粒子的粒徑小、數(shù)量多，致使其比表面積較大，在基體中易形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，故有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。對微米粒子而言，填料用量相同時大粒徑的導(dǎo)熱填料比表面積較小，不易被膠粘劑包裹，故彼此連接的概率較大（更易形成有效的導(dǎo)熱通路），
有利于膠粘劑熱導(dǎo)率的提高。一個具體案例，研究表明：當填料用量相同時，含30nm的Al2O3體系之熱導(dǎo)率相對最高，含20μm的Al2O3體系之熱導(dǎo)率其次，而含2μm的Al2O3體系之熱導(dǎo)率相對最低。這是因為填料用量相同時，納米粒子的比表面積比微米粒子大，龐大的比表面積使之形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的概率高于微米粒子；對20、2μm的Al2O3填充體系而言，較小粒徑具有較大的比表面積，與基體接觸的相界面更多，從而更容易被基體包裹，無法形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，故2μm的Al2O3填充體系之熱導(dǎo)率相對最低。
當填料用量相同時，不同幾何形狀的同種填料在基體中形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)概率不同，較大長徑比的導(dǎo)熱填料更易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而更加有利于提高基體的熱導(dǎo)率。上數(shù)字，研究表明：當φ（納米級銀線）=26%（相關(guān)于環(huán)氧樹脂EP膠粘劑體積而言）時達到滲流閾值，熱導(dǎo)率從5.66W（/mK）增至10.76W（/mK）；當φ（納米級銀棒）=28%、φ（納米級銀塊）=38%時達到滲流閾值；長徑比越大滲流閾值越小。與銀棒和銀塊相比，長徑比大的銀線由于其取向性使樹脂體系內(nèi)形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的概率新增，填料較少時即可達到較高的熱導(dǎo)率。
3）導(dǎo)熱填料的混雜填充
與單一粒徑的填料填充體系相比，不同粒徑大小、同種填料的混雜填充更加有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。同種填料不同形態(tài)的混雜填充比單一球形填料填充更易獲得高熱導(dǎo)率的膠粘劑。不同種類的填料在適當配比時，混雜填充亦優(yōu)于單一種類填料填充。這歸因于上述混雜填充均較易形成緊密堆積結(jié)構(gòu)，而且混雜填充時高長徑比粒子易在球形顆粒間起到架橋用途，從而減小了接觸熱阻，進而使體系具有相對更高的熱導(dǎo)率。研究表明：當w（AlN）=80%（相關(guān)于硅橡膠質(zhì)量而言）、粒徑分別為15、5μm時，體系的熱導(dǎo)率分別為1.83、1.54W（/mK）；在保證AlN總用量不變、兩種粒徑的顆
粒質(zhì)量比為1∶1時，體系的熱導(dǎo)率為1.85W（/mK）。大小粒徑摻雜比單一粒徑的熱導(dǎo)率高，這是因為大小粒徑摻雜時，小粒徑的顆粒更易填充至大粒徑顆粒的空隙中（致密度增大），使顆粒之間的接觸更加緊密，填料在基體內(nèi)部的排列密度提高（減小了接觸熱阻），進而新增了體系的熱導(dǎo)率。
4）導(dǎo)熱填料的表面改性
無機粒子和樹脂基體界面間存在極性差異，致使兩者相容性較差，故填料在樹脂基體中易聚集成團（不易分散）。另外，無機粒子較大的表面張力使其表面較難被樹脂基體所潤濕，相界面間存在空隙及缺陷，從而增大了界面熱阻。因此，對無機填料粒子表面進行修飾，可改善其分散性、減少界面缺陷、增強界面粘接強度、抑制聲子在界面處的散射和增大聲子的傳播自由程，從而有利于提高體系的熱導(dǎo)率。
一個導(dǎo)熱膠影響力試驗
采用實驗和仿真互相校核的方式，針對動力鋰電池不同工況下的放電需求，比較導(dǎo)熱膠填充電池間隙和考察系統(tǒng)最高溫度和最大溫差，
案例比較分析了勻速行駛、持續(xù)加速和NEDC3種工況，電池單體間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的溫升與溫差明顯小于間隙為空氣的電池包。由此可見導(dǎo)熱膠對降低電池包溫升與均衡電池包溫度場方面有明顯用途。進行電池包熱設(shè)計時，在電池包結(jié)構(gòu)無法做出改變的情況下，可通過在電池單體之間填充導(dǎo)熱膠的方式來降低電池包的溫升與溫差。在可變更電池包結(jié)構(gòu)的情況下，通過改變電池包結(jié)構(gòu)和在電池單體間填充導(dǎo)熱膠來使電池包處在合適的工作環(huán)境下。電動汽車在加速行駛時由于加速時間較短，即電池包在進行短時間的大電流放電時，電池的溫升與溫差上升較小。而高速勻速行駛時由于熱的積累與長時間恒流放電，電池包的溫升與溫差上升明顯。該廠目前員工有500人，年產(chǎn)量可滿足20萬輛新能源汽車的需求。但新能源汽車包括了混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及純電動汽車，所以目前尚不清楚這20萬輛新能源汽車中各類車型的占比是多少。松下表示，這家投資500億日元（約為29.6億元人民幣）打造的全新廠不僅可以滿足不斷上升的我國市場需求，同時還可以為北美市場供應(yīng)電池產(chǎn)品。而這種方形動力鋰電池的安全性更高，未來將有望將產(chǎn)品銷往世界各地，推動新能源汽車的發(fā)展。
