节能减排的(de)口号喊(han)了那么多年(nian),电动汽(qi)车(che)总算(suan)是普(pu)及到了大江南北,随处都可以看见绿牌车(che)的(de)身影。
但纵使(shi)电(dian)动(dong)(dong)汽车(che)拥有百般好处,现阶段燃油车(che)的(de)(de)数量还(hai)是远多于(yu)电(dian)动(dong)(dong)车(che),对于(yu)那(nei)些(xie)还(hai)未更换电(dian)动(dong)(dong)汽车(che)的(de)(de)普通(tong)群众来说,除了电(dian)动(dong)(dong)车(che)的(de)(de)安(an)全性外,他们(men)最担忧(you)的(de)(de)就是电(dian)动(dong)(dong)汽车(che)的(de)(de)充能(neng)不(bu)够便捷和快速,在一定程度(du)上(shang)会(hui)影(ying)响到(dao)日常(chang)出行。
比如(ru)说冬天(tian)就常常被称为是(shi)电动车主的“噩梦”,不仅耗电多,而且充电还慢,各个车主的朋友圈此时也是金句频出:
“电(dian)动车空调不加热(re)了(le),我在车里带上了(le)羽绒服(fu)帽子,外加手(shou)套(tao),甚至还(hai)盖上了(le)小毛(mao)毯。”
“电动(dong)爹不(bu)是盖的,充满电先掉(diao)100公里(li)续航(hang)!这天气开空调吧,担心(xin)车开不(bu)到(dao)公司(si),不(bu)开空调又担心(xin)人到(dao)不(bu)了公司(si)。”
“不敢跑(pao)高速,生怕续航(hang)挺不住;不敢开(kai)暖风,就怕续航(hang)掉的猛。”
那熬过了(le)(le)冬(dong)天(tian)(tian)(tian)是(shi)不是(shi)就好了(le)(le)呢?事实告诉你,你还是(shi)太天(tian)(tian)(tian)真(zhen)了(le)(le)!到了(le)(le)夏天(tian)(tian)(tian),气温攀高(gao),尤(you)其在(zai)全(quan)球变暖的(de)大趋(qu)势下,许多地区(qu)夏天(tian)(tian)(tian)的(de)最高(gao)温可达(da)38℃以上。在这样的高温环境下,电动车需要避免充电,以免导致电池出现过热的情况,破坏电池和减少充电器的寿命。
“温(wen)度(du)高导致充电(dian)受限”的情况还出(chu)现在(zai)了万众期待的“快速充电”中。上面提到了温(wen)度过高容易导致(zhi)电池过热,曾有机构(gou)做过这方面的研究,他们使用不同(tong)倍率(lv)对26Ah/3.7V的三元锂电芯进行充电,然后记录下电芯表面的升温幅度。结果发现:
1倍充电(dian)功(gong)率(1C)下(xia)电(dian)芯的(de)(de)(de)(de)温(wen)度只上升到26℃;但(dan)是(shi)当充电(dian)功(gong)率升高到3倍(3C)时,电(dian)芯的(de)(de)(de)(de)结温(wen)一(yi)下(xia)就飙到了58℃,几乎(hu)触及了动力电(dian)池安(an)全温(wen)度的(de)(de)(de)(de)上限。显(xian)然,如果没有(you)办(ban)法(fa)解决高温(wen)这个(ge)问题,快速充电(dian)终究只是(shi)一(yi)个(ge)遥不可及的(de)(de)(de)(de)梦。
动力电(dian)池“充电功率vs结温”的关系
那要如何解决温(wen)度过高的问题呢?最直接的解决途径就是散热!目前汽车动(dong)力锂离子电(dian)(dian)池(chi)组(zu)液(ye)(ye)冷(leng)散热(re)(re)部分由液(ye)(ye)冷(leng)管(guan)和导热(re)(re)胶(jiao)粘剂组(zu)成。液(ye)(ye)冷(leng)管(guan)包(bao)括(kuo)内部的(de)(de)冷(leng)却液(ye)(ye),主要(yao)完成锂离子电(dian)(dian)池(chi)组(zu)工作出现热(re)(re)量的(de)(de)散热(re)(re),导热(re)(re)胶(jiao)粘剂主要(yao)完成电(dian)(dian)芯与(yu)液(ye)(ye)冷(leng)管(guan)之间的(de)(de)热(re)(re)传(chuan)导,胶(jiao)的(de)(de)具(ju)体使用形式包(bao)括(kuo)垫片、灌(guan)封、填充等。
导热胶的优势如下:
①广泛适用性(xing):随着电子器(qi)件设计(ji)复杂度的(de)提(ti)高(gao),相较于(yu)传统众多(duo)的(de)导热材料,导热胶可以更(geng)好填(tian)充元(yuan)器(qi)件不规则的(de)间(jian)隙及(ji)克服零(ling)件的(de)公(gong)差。
②适合(he)大(da)规模自(zi)动(dong)生(sheng)产:导热胶可以(yi)配(pei)合(he)自(zi)动(dong)化设备(bei)进行快速施胶,适应工业领(ling)域(yu)自(zi)动(dong)化生(sheng)产工艺的(de)需(xu)求。
③长效可靠性:导热胶在众多的测试(shi)以及实际应用的过程中(zhong)表现优(you)异,如热稳定性,耐热冲(chong)击,电气(qi)绝缘性及振动老(lao)化(hua)等测试(shi)。
导热胶的(de)导热机制
导热(re)胶(jiao)主要由树(shu)脂(zhi)基体(ti)(环氧树(shu)脂(zhi)、有机硅和聚氨酯(zhi)等)和导热(re)填(tian)料组成。其导热原理为(wei):固体(ti)(ti)内(nei)部导(dao)(dao)热(re)(re)载体(ti)(ti)主要为电(dian)(dian)子(zi)、声子(zi)。金属内(nei)部存(cun)在(zai)着(zhe)大量(liang)的自由电(dian)(dian)子(zi),通(tong)过电(dian)(dian)子(zi)间的相互(hu)(hu)碰撞(zhuang)可(ke)传递热(re)(re)量(liang);无机非金属晶(jing)体(ti)(ti)通(tong)过排列(lie)整齐的晶(jing)粒热(re)(re)振(zhen)动(dong)导(dao)(dao)热(re)(re),通(tong)常用(yong)声子(zi)的概(gai)念来(lai)描(miao)述(shu);大多数聚合物(wu)是(shi)饱和体(ti)(ti)系,无自由电(dian)(dian)子(zi)存(cun)在(zai)。因(yin)此,在(zai)胶(jiao)粘剂(ji)中加入高导(dao)(dao)热(re)(re)填料是(shi)提(ti)高其导(dao)(dao)热(re)(re)性能(neng)的主要方法——导(dao)(dao)热(re)(re)填料分散于树脂基(ji)体(ti)(ti)中,彼此间相互(hu)(hu)接触,形成导(dao)(dao)热(re)(re)网络(luo)(luo),使热(re)(re)量(liang)可(ke)沿(yan)着(zhe)“导(dao)(dao)热(re)(re)网络(luo)(luo)”迅速传递,从而达到提(ti)高胶(jiao)粘剂(ji)热(re)(re)导(dao)(dao)率的目的。
填料对导热(re)胶(jiao)性能的影响
导(dao)(dao)热胶(jiao)的(de)(de)热导(dao)(dao)率主要取决于树脂基体、导(dao)(dao)热填(tian)料及(ji)(ji)两(liang)者形(xing)成的(de)(de)界(jie)面(mian)。而导(dao)(dao)热填(tian)料的(de)(de)种类、用量、粒径、几(ji)何(he)形(xing)状(zhuang),混杂填(tian)充及(ji)(ji)表面(mian)改性等(deng)因素(su)均会(hui)对胶(jiao)粘剂的(de)(de)导(dao)(dao)热性能(neng)产生影响。
①导热填(tian)料的种类和用量
目前常用(yong)的导热填料有金属材料(Fe、Mg、Al、Cu、Ag)、碳基材料(碳纳(na)米管(guan)、石墨烯、石墨)、氧(yang)化物(Al2O3、ZnO、BeO、SiO2)、氮化(hua)物(AlN、BN、Si3N4)。其中氧化硅、氧化铝具(ju)有优(you)良的电绝(jue)缘性(xing)能,而且价格低(di)廉,得到了广泛使(shi)用。氮(dan)化物(wu)绝(jue)缘材料(liao)中氮(dan)化硅、氮(dan)化硼由于(yu)热导(dao)率高、热膨胀系数低(di)等(deng)优(you)点(dian),成为(wei)人们研(yan)究(jiu)的热点(dian),但价格较(jiao)昂贵。
填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)用量也会(hui)对胶粘(zhan)剂热(re)导(dao)率(lv)产生影(ying)响。当填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)较少时,填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)被基体(ti)(ti)树脂完(wan)全包(bao)裹,绝大多数填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)粒子之(zhi)间未能直接(jie)接(jie)触,此(ci)时基体(ti)(ti)成为(wei)填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)粒子之(zhi)间的(de)热(re)流障(zhang)碍,抑制了填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)声子的(de)传(chuan)递。随着填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)用量的(de)增加,填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)在基体(ti)(ti)中逐渐(jian)形成稳定的(de)导(dao)热(re)网络,此(ci)时热(re)导(dao)率(lv)迅速增加,并且填(tian)(tian)充高热(re)导(dao)率(lv)填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)更有(you)利于提(ti)(ti)高胶粘(zhan)剂的(de)热(re)导(dao)率(lv)。然而,填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)的(de)热(re)导(dao)率(lv)过大也不利于体(ti)(ti)系热(re)导(dao)率(lv)的(de)提(ti)(ti)高。研究表明:当填(tian)(tian)料(liao)(liao)(liao)与基体(ti)(ti)树脂的(de)热(re)导(dao)率(lv)之(zhi)比超过100时,复合材料热导(dao)率的提(ti)高并不显著。
②导热填料的粒径和几何(he)形状
当填(tian)料用量相(xiang)(xiang)同时(shi),纳米粒(li)(li)子比(bi)微米粒(li)(li)子更有(you)利(li)于(yu)提高胶粘剂的(de)热(re)(re)导率(lv)(lv)。纳米粒(li)(li)子的(de)量子效应使晶(jing)界数(shu)目增(zeng)加,从而使比(bi)热(re)(re)容(rong)增(zeng)大且共(gong)价(jia)键(jian)变(bian)成金(jin)属键(jian),导热(re)(re)由分子(或晶(jing)格(ge))振动变(bian)为(wei)自(zi)由电子传热(re)(re),故纳米粒(li)(li)子的(de)热(re)(re)导率(lv)(lv)相(xiang)(xiang)对更高;同时(shi),纳米粒(li)(li)子的(de)粒(li)(li)径(jing)小、数(shu)量多,致使其比(bi)表(biao)面积较大,在基体(ti)中易形成有(you)效的(de)导热(re)(re)网络(luo),故有(you)利(li)于(yu)提高胶粘剂的(de)热(re)(re)导率(lv)(lv)。
对微米(mi)粒子而言(yan),填(tian)料(liao)用量相同(tong)时。更(geng)大(da)粒径的(de)导热(re)填(tian)料(liao)比表面积较小,不易(yi)被胶粘剂(ji)包(bao)裹,故彼此连接的(de)概率较大(da)(更(geng)易(yi)形成(cheng)有效的(de)导热(re)通路),有利于胶粘剂(ji)热(re)导率的(de)提高,如20和2 μm的(de)Al2O3填充体系(xi)相比(bi),前者热导率(lv)更高。
③导热填(tian)(tian)料的混(hun)杂填(tian)(tian)充
与(yu)单一(yi)粒(li)径(jing)的(de)(de)填(tian)(tian)(tian)料填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)体系相比(bi),不(bu)同粒(li)径(jing)大小(xiao)、同种(zhong)(zhong)填(tian)(tian)(tian)料的(de)(de)混(hun)(hun)杂填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)更(geng)(geng)有(you)利于(yu)提高(gao)胶(jiao)粘剂的(de)(de)热(re)(re)(re)(re)导(dao)率。同种(zhong)(zhong)填(tian)(tian)(tian)料不(bu)同形态的(de)(de)混(hun)(hun)杂填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)比(bi)单一(yi)球形填(tian)(tian)(tian)料填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)更(geng)(geng)易(yi)获得高(gao)热(re)(re)(re)(re)导(dao)率的(de)(de)胶(jiao)粘剂。不(bu)同种(zhong)(zhong)类(lei)的(de)(de)填(tian)(tian)(tian)料在适当配(pei)比(bi)时,混(hun)(hun)杂填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)亦优于(yu)单一(yi)种(zhong)(zhong)类(lei)填(tian)(tian)(tian)料填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)。这归因于(yu)上述混(hun)(hun)杂填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)均较易(yi)形成紧密堆积结(jie)构,而(er)且混(hun)(hun)杂填(tian)(tian)(tian)充(chong)(chong)(chong)时高(gao)长径(jing)比(bi)粒(li)子易(yi)在球形颗(ke)粒(li)间起到架桥作用,从(cong)而(er)减(jian)小(xiao)了(le)接(jie)触热(re)(re)(re)(re)阻(zu),进而(er)使体系具有(you)相对更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)热(re)(re)(re)(re)导(dao)率。
④导热(re)填料的表面改(gai)性
无(wu)机(ji)粒子(zi)和树脂(zhi)(zhi)基(ji)体界(jie)面(mian)(mian)间存在极性差异,致(zhi)使(shi)两者相容性较(jiao)差,故填料在树脂(zhi)(zhi)基(ji)体中(zhong)易聚集成团。另(ling)外(wai),无(wu)机(ji)粒子(zi)较(jiao)大的(de)表面(mian)(mian)张力使(shi)其(qi)表面(mian)(mian)较(jiao)难被(bei)树脂(zhi)(zhi)基(ji)体所(suo)润湿(shi),相界(jie)面(mian)(mian)间存在空隙(xi)及缺陷,从(cong)而增大了界(jie)面(mian)(mian)热(re)阻。因此(ci),对无(wu)机(ji)填料粒子(zi)表面(mian)(mian)进行(xing)修饰,可(ke)改善其(qi)分散性、减少界(jie)面(mian)(mian)缺陷、增强界(jie)面(mian)(mian)粘接强度、抑(yi)制(zhi)声子(zi)在界(jie)面(mian)(mian)处的(de)散射和增大声子(zi)的(de)传播(bo)自由(you)程,从(cong)而有(you)利于提高体系的(de)热(re)导率。
基体对导(dao)热胶(jiao)性(xing)能的影(ying)响
导热胶的基体(ti)主要分为(wei):环氧树脂(zhi)灌(guan)、有机硅橡胶、聚氨酯(zhi)灌(guan)封胶,三者各有长短:
①环氧树脂
优点:对材(cai)质(zhi)的(de)(de)粘接力较好(hao)以及较好(hao)的(de)(de)绝(jue)缘性(xing),固化物耐酸碱性(xing)能好(hao),具有较好(hao)的(de)(de)透光性(xing),价格(ge)相对便(bian)宜;
缺点(dian):抗冷(leng)热变(bian)化能(neng)力(li)弱,受到冷(leng)热冲击后容易(yi)(yi)产生裂缝(feng),防潮能(neng)力(li)差;固化后胶体(ti)硬度(du)较高且较脆,无(wu)法打开(kai),因此产品为(wei)“终身”产品,无(wu)法实现(xian)元器件(jian)的更(geng)换;光(guang)照或高温条(tiao)件(jian)下易(yi)(yi)产生黄(huang)变(bian)。
②有机硅(gui)橡胶
优(you)(you)点:材(cai)质较软(ruan),能(neng)够消除大多(duo)数的(de)机械应力(li)(li)并起到减震(zhen)保护效果。物理化学性(xing)质稳定,具(ju)备(bei)较好的(de)耐高低温(wen)性(xing)、优(you)(you)异的(de)耐候性(xing)、电气性(xing)能(neng)和绝缘能(neng)力(li)(li);具(ju)有返修能(neng)力(li)(li)。
缺点:粘(zhan)结性能稍(shao)差。
③聚氨酯
优点:具有较(jiao)为优异的(de)耐低温性能,材质稍软,对一般灌封材质均(jun)具备(bei)较(jiao)好(hao)的(de)粘(zhan)结性;具备(bei)较(jiao)好(hao)的(de)防水防潮、绝缘性。
缺(que)点:耐(nai)高温能力差且容(rong)易(yi)起泡(pao),必须(xu)采用真空脱泡(pao);固化后胶体表面不平滑且韧性(xing)较差,抗老化能力、抗震和紫外(wai)线(xian)都很(hen)弱、胶体容(rong)易(yi)变色。
综合来看(kan),有(you)机硅由于具备诸(zhu)多(duo)优(you)异性能,因此成为敏(min)感电路和电子器件灌(guan)封(feng)保护的(de)较(jiao)佳灌(guan)封(feng)材料,不过它的(de)成本也是三者之中最高(gao)的(de)。然而(er)动力电池(chi)在利(li)润(run)率(lv)上比电子通讯等行业低很(hen)多(duo),而(er)且(qie)单台电池(chi)包里导热胶(jiao)的(de)使(shi)用量又(you)特别大(da),因此新能源(yuan)很(hen)难像其他(ta)行业一样“财大气粗”挥挥手就上最好的材料,只能想尽办法在性能达标的基础上,降低的导(dao)热材料(liao)成(cheng)本,最终反而是成(cheng)本最低的聚(ju)氨酯导热胶受到了欢迎。
为(wei)了提高聚(ju)氨(an)酯导(dao)热(re)胶的(de)热(re)导(dao)率(lv),近年来不(bu)少(shao)厂家也(ye)在不(bu)断(duan)地(di)改进(jin)其性能,比如说杜邦今年推出的(de)聚(ju)氨(an)酯体系(xi)的(de)导(dao)热(re)填缝胶产品的(de)导(dao)热(re)率(lv)就上升了不(bu)少(shao),突破了常规(gui)聚(ju)氨(an)酯体系(xi)导(dao)热(re)胶的(de)2.0W/m.K瓶颈,一举拿下3.0W/m.K的导热率,可以说现在电动车离快速充电又近了一步。
2021CIBF电池展上发布的BETATECH™
(雪球(qiu).com/dupont)
结语(yu)
到底(di)“快速充电”什么时候可以实现?电动汽车什么时候能被更多消费者接受?虽然导热胶只是动力电池散热系统中的一个小配角,但小配角往往也能起到大作用,让我们继续期待导热胶未来还将有什么突破吧!
资(zi)料(liao)来源:
锂离(li)子动力电(dian)池热失(shi)控(kong)实验与模拟研(yan)究,陶(tao)欢。
电动汽车的“超级快充”,与导热材料的“不可能三角”,王凯。
粉体(ti)圈 NANA整理
版权声明(ming):
本文(wen)为粉(fen)体圈原创作品,未经(jing)许可,不得转载(zai),也(ye)不得歪曲、篡改或复制本文(wen)内容,否则本公司将依法(fa)追究法(fa)律责任。