研賽新能源汽車用膠及其解決方案

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     5月30日，發改委、國家能源局正式發布了《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》，其中主要提出了堅持統籌新能源開發和利用，進一步發揮財政、金融政策的作用，加快構建新型電力系統，促進形成以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局的新能源發展大方向。從傳統能源石油、煤炭需求量的減少，清潔能源電能、天然氣、太陽能、風能、水能等需求量的增長，到能源應用端的清潔能源發電、新能源汽車的普及等，這些變化在供給端和需求端都影響著世界能源行業的變革。


      新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、其他新能源汽車等。
      其工作原理：蓄電池——電流——電力調節器——電動機——動力傳動系統——驅動汽車行駛（Road）。
      動力電池是新能源汽車的“心臟”，而膠粘劑是實現“心臟”持久動力的“肌膜組織”。其中新能源汽車所用的蓄電池是鋰電池，車用鋰電池對新能源汽車的發展與普及，至關重要。
      新能源汽車電池的用膠點：膠粘劑在動力電池上的四大作用
      1．為動力電池提供防護效果；
      2．實現安全可靠的輕量化設計；
      3．熱管理；
      4．幫助電池應對更復雜的使用環境。


      在電動汽車發展的前幾年，動力電池是由數個或數十個電芯（包括圓柱形電芯、方形電芯及軟包電芯）組裝成模組，再由數個模組組裝固定于PACK 殼體中，形成汽車動力電池包。


      這種結構由于有模組的存在，機械連接固定都比較方便，結構膠的應用并不十分必要。近些年，由于電動汽車輕量化及長行駛里程的趨勢壓力，CTP 結構應運而生。CTP 結構提升了電池包的體積/ 重量能量密度，進一步延長了車輛續駛里程。
      CTP 結構是指動力電池包是由電芯（特別是方形電芯）直接組裝到PACK 殼體中（cell to pack），這種結構省卻或大幅度減少了中間模組部件，大大減輕了電池包的整體質量，直接為電動汽車的輕量化和續駛里程做出了貢獻。這種CTP 結構的電池包，一般需要大量使用膠粘劑來連接固定電芯，而無法使用傳統的機械連接方式。


      CTP 結構對膠粘劑的要求
      膠粘劑在動力電池CTP 結構中的作用是非常重要的，用于CTP 的膠粘劑有兩大類現實需求：第一類就是以結構粘接為主，兼顧一定的導熱作用；第二類就是以導熱粘接為主，膠粘劑應用的目的是將電芯工作時產生的熱量導出到外部的散熱部件，實現熱管理的部分功能作用，兼顧結構粘接要求。
      CTP 結構動力電池組裝用結構膠的最終性能要求
      1. 強度要求
      由于整體PACK 以及內部結構的可靠性、穩固性來自于結構膠的粘接連接，代替了原有的機械連接方式，因此結構膠的粘接強度及本體強度就要求有比較高的指標，一般來說8 MPa 以上，甚至更高的強度是很有必要的。這樣高強度的結構膠應用于方形電芯的側面或底面，根據電芯從尺寸及外形不同，一般粘接面積可以達到3000 mm2 以上，單個電芯粘接力可達24 000N 以上，有的特殊形狀的方形電芯可以讓粘接面積達到17000 mm2，理論上單個電芯粘接力甚至可以達到136000N 以上，較好地滿足電芯直接穩固固定在PACK 殼體內的要求。結構膠的強度衡量可以是對接拉伸強度或者是搭接拉剪強度。


      2. 粘接材質的適應性
      PET膜、3003鋁合金要想使電芯獲得高的固定粘接力，不僅要有結構膠本身的較高的拉伸強度以及更大的粘接面積，還要有對粘接材質的適應性，以及考慮被粘接材質的本體強度。
      那么CTP 結構的動力電池結構膠適用于哪些材質呢？首先看一看方形電芯的材質：方形電池的殼體一般使用3003鋁合金。為了使電芯外殼具有絕緣性，大部分電芯生產廠商采用PET 薄膜包覆或半包覆方形電池的外殼（圖1）；還有一種是采用絕緣粉末涂料（噴粉）的方式在電芯外殼涂覆一層絕緣涂層，見圖2。

      這兩種電芯的表面材質以及相對應的PACK 殼體或絕緣膜就是結構膠粘接的對象：PET（又稱藍膜）、噴粉涂層（環氧或其他樹脂）及3003鋁合金。結構膠必須對這幾種材質具有良好的粘接性能。
      由于PET 藍膜一般采用壓敏膠背膠的方式將PET 藍膜包覆在電芯殼體外，或者采用熱縮方式套在電芯殼體上，那么結構膠對于PET 藍膜（一般要經過等離子或火焰預處理）的粘接要能夠保證粘接強度大于PET 藍膜的背膠與電芯鋁合金殼體的粘接或者能夠達到PET 藍膜破壞的強度。
對于3003鋁合金以及噴粉涂層的粘接，要能夠達到破壞時的內聚破壞，換句話說就是粘接膠層的破壞，而不是粘接膠層與鋁合金或噴粉涂層的界面脫開。


      3. 彈性（或柔韌性）要求
       動力電池PACK 裝載于汽車上，行駛中難免會受到顛簸、沖擊及振動等，電芯的固定粘接也要承受擠壓、剝離、彎曲和疲勞等各種力的考驗。
粘接可靠性不僅取決于粘接強度，在受到沖擊振動時，粘接膠層的柔韌性更重要。結構膠的柔韌性可以從兩個方面來考察。一是斷裂伸長率：斷裂伸長率是指膠粘劑本體在拉伸后斷裂時的伸長長度與拉伸前長度的比值，用百分率表示。這一技術指標表征的是膠粘劑本體在受到外力作用時能夠承受的受力變形能力，更高的斷裂伸長率意味著可以抵御更大的受力變形。斷裂伸長率達到100%， 甚至 150%就是這一期望的具體體現。二是彈性模量（儲能模量）：這是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，表征了材料存儲彈性變形能量的能力，單位是MPa，是應力與應變的比值，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大。
      對于動力電池的電芯粘接可靠性，往往需要進行有限元分析，計算機模擬分析時一個重要的輸入指標是模量（或泊松比）。因此，模量就是一個非常重要的指標。
      儲能模量的測試采用動態熱機械分析儀（DMA）較為準確。在CTP 結構膠的工程應用中，低模量是更期望的特性。結合第一點的強度要求，低模量與高強度是有一定的相互克制的。有一些公司及一些標準儲能模量（常溫）要求低于800 MPa，甚至個別的結構膠要求低于300 MPa。


      4. 耐老化要求
      汽車的長期可靠運行的基本要求，傳遞到動力電池，CTP 結構中結構膠的耐老化特性同樣重要。對于膠粘劑來說，耐老化特性可以通過冷熱循環和濕熱老化測試來考察?？梢詤⒄誈B/T7124 的相關規定測試。
耐冷熱循環測試不同的汽車廠家或標準有不同要求，老化條件參考汽車常用的耐老化測試方法，可以在-40 ～ 80℃（或90℃）高低溫交變循環，單次循環模式見圖3，循環次數可以由電池包設計及膠粘劑供應商雙方商定。
耐濕熱老化， 一般是“ 雙85”（85 ℃，85% 相對濕度）條件下，1000h 老化。耐老化后的性能指標與初始指標進行比對，不小于70%。


      5. 阻燃性能要求
      結構膠應用于動力電池，作為汽車動力電池材料的一部分，阻燃性是基本的要求。阻燃測試考慮其應用環境，采用鋁、膠、鋁三明治結構膠層厚度0.5 mm進行測試，要求達到V0級。可以按照GB/T 2408 的規定進行測試。


      6. 電氣絕緣性能要求
結構膠直接應用于電芯粘接，絕緣性也是基本要求，介電強度要大于10 kV/mm ；體積電阻率要大于1×1012Ω.cm。可以參照GB/T 1408的相關規定測試。


      7. 導熱性能
      對于高強度低模量的結構粘接膠，一般不考察其導熱特性。在動力電池PACK 系統中，熱管理是非常重要的一個子系統，電芯的熱量需要能夠及時散發出去，保證電池在最佳工作溫度范圍內，這時需要專門的導熱材料（如導熱膠）發揮這個作用，它的主體作用與結構膠是不一樣的，它重點考察的是導熱性能。
      當然，結構膠有一定的導熱能力是更好的，對以結構粘接為主要訴求的結構膠的導熱系數能夠在0.2 W/(m ·K) 以上，能夠起到一定的導熱散熱功效［空氣的導熱系數約為0.0267 W/(m · K)］。


      8. 振動臺架測試
      用于CTP 結構電芯粘接用高強度低模量結構膠，是否滿足新能源汽車的正常行駛要求，還是需要對整體電池包進行振動臺架測試，滿足耐沖擊振動要求，可以參照《GB/T 31467.3 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3 部分：安全性要求與測試方法》。
      CTP 結構動力電池組裝用結構膠的工藝性能要求
      工程膠粘劑是一門應用科學，結構膠是應用在動力電池PACK 的總裝工藝過程中，其應用工藝的重要性不言而喻。
      CTP 結構的動力電池PACK特點是電芯尺寸加大或特異形狀，取消了中間模組或大幅度減少，其組裝過程是由電芯直接組裝粘接到PACK 殼體：粘接用膠量相對較大，涂膠膠線走線相對較長；粘接合攏時間依據自動化程度有所差異；組裝粘接完成的動力電池PACK，由于體積較大，搬運相對困難；汽車行業的特點是生產批量大、節拍快。


      結構膠要適應以上裝配及結構特點，其工藝性能具體要求可以體現在以下幾個方面：
      1. 可操作時間要求
      一般來說可操作時間是指膠粘劑施膠后保持粘性，不影響粘接效果的時間。對于雙組分結構膠，A/B 組分混合后就開始反應，一定時間后混合后的膠粘劑會失去粘性，粘接就會出現浸潤不好等潛在失效可能，這一段時間可以認為是可操作時間。
      由于動力電池PACK 部件以及電芯尺寸都比較大，需要涂膠裝配零部件較多，在膠粘劑涂敷后到部件合攏粘接裝配的時間是裝配工藝節拍和設備能力等決定的，那么結構膠的可操作時間就要考慮從A/B 組分混合后（如果是雙組分的）到粘接部件的合攏裝配、工裝夾具定位的時間間隔，并留出足夠的安全系數。裝配工藝節拍的不同、自動化程度不同，以及后續固化方式的不同等，對應結構膠的可操作時間也會不同。
      如果是快節拍裝配，常溫后固化，則可操作時間要求比較短，可能會要求≥ 5 min，甚至更短；如果是裝配節拍相對慢一些且裝配線考慮涂膠裝配后的加溫固化，則可操作時間可以要求更長，甚至要求≥ 40 min。


      2. 初固時間（固化速度或達到定位強度時間）
      要求膠粘劑的固化特性是隨著時間推移（或加溫等其他措施），其強度逐漸是上升的。結合動力電池PACK 粘接組裝工藝及后續工藝，粘接后的電池電芯具有一定的結構強度后更方便后續裝配工藝的實施，因此結構膠的初固時間（固化速度或達到定位強度時間）也是非常重要的工藝性能指標。


      根據PACK 裝配工藝、工裝及設備設計不同，粘接后的固化工藝有常溫固化和加溫固化兩種方式。
      為保證組裝效率，常溫固化的結構膠一般要求盡可能短時間內達到能夠搬運等定位強度（約0.5 MPa），這一要求與充分的可操作時間有一定矛盾。因此，達到定位強度的初固時間一般在30 ～ 60 min。加溫固化的結構膠可以兼顧長可操作時間與快速定位初固的要求，初固時間在70 ～ 80 ℃條件下15 ～ 20 min，達到0.5 MPa的定位強度。后固化可在80 ℃、4 h 時達到8 MPa 以上的強度或基本完全固化。加溫固化的裝配線需要配置加溫設備。


      3. 觸變性及粘度要求
      動力電池PACK 電芯粘接組裝過程中，電芯被拿取、定位和涂膠等工藝動作，以及涂膠完成后的組裝粘接工藝動作，很有可能需要翻轉，涂膠位置也有可能是垂直立面。這要求涂敷在電芯或PACK 殼體（或保護層）上的結構膠不能流淌，涂敷的膠粘劑膠線需要保持涂敷的形狀，以保證組裝粘接的過程可靠穩定。因此，良好的觸變性是結構膠必須的工藝性能，以保證涂敷的膠粘劑形狀穩定，立面不流淌。
      同時，由于動力電池PACK尺寸都比較大，組裝過程中的涂膠機器手操作半徑范圍也大，有的可達2 m 以上，再加上涂膠工序場地、電芯上裝工位以及結構膠膠桶定位工位的實際距離考慮，結構膠的輸膠管路長度都比較長，可能達到5 ～ 10 m，因此結構膠的粘度不宜太高，以便于順暢打膠，A/B 組分混合后的粘度不宜超過60 000 cps。
      否則就需要非常高的輸送壓力，也可能造成出膠速率低，影響涂膠效率、整體裝配效率。另外，A/B 組分的結構膠，兩組分的粘度也不宜相差太大，以保證穩定的混合效果。


4. 混合比例要求
      一般動力電池的結構膠是雙組分的，混合均勻后的膠粘劑才能夠發揮其性能，對于A/B 組分的混合比例, 雖然不是強制性要求，但是考慮到混合的穩定性，實際工程應用中還是A/B 組分的比例差別不大的情況下，更能夠保證混合均勻及穩定。A/B 組分1：1 或2：1 或4：1 的混合比例，有利于涂膠機比較穩定、精確地混合，也有利于粘接質量的穩定保證。