基于汽車鋰電池中的輕量化灌封膠制備及其性能研究

田曉鴻

摘要：本文通過在端乙烯基聚二甲基硅氧烷中，添加聚合物與有機硅樹脂，以此作為交聯(lián)劑，并選用氫氧化鋁作為阻燃填料，增加鉑乙烯基配合物作為催化劑，選擇氮化硼與空心玻璃微珠作為輔助，最終實現(xiàn)輕量化灌封膠的制備。本文主要對此灌封膠制備進行了詳細分析，并在此基礎上，深入探究了灌封膠性能的影響因素，即氮化硼、鉑乙烯基配合物、空心玻璃珠等。結(jié)果表明，在端乙烯基聚二甲基硅氧烷為100份，聚二甲基硅氧烷為16份，氫氧化鋁為120份，氮化硼為30份，有機硅樹脂為5份，空心玻璃微珠為45份，鉑乙烯基配合物為1.5份時，所得基于汽車鋰電池的輕量化灌封膠的整體性能處于最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：汽車;鋰電池;輕量化;灌封膠;性能

中圖分類號：TQ436⁺.6文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0039-04

1引言

鋰電池以其自身獨特優(yōu)勢作用，即電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長、節(jié)能環(huán)保等，備受社會各界積極關(guān)注，而所謂高壓動力電池得以在新能源汽車中實現(xiàn)了廣泛應用。但是現(xiàn)階段，新能源汽車低壓供電電源依舊沿用傳統(tǒng)燃油車鉛酸蓄電池機制，但由于其能量密度過低，使得蓄電池太過笨重。對此，為延長汽車續(xù)駛里程，電動汽車輕量化成為了新能源汽車技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。

2汽車鋰電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在汽車電池板中，包含許多鋰電池構(gòu)成的單體電池包，以此構(gòu)成電池組，然后由電池組組成電池板。在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，汽車顛簸，電池內(nèi)部嚴重搖晃，而且電池運作過程中，會釋放出過多熱量，因此，灌封膠的應用必須切實解決電池之間相互連接與散熱等問題，這就需要其具有良好的減震性、粘接性、絕緣性、阻燃性等等。因此，引進高導熱、高阻燃有機硅灌封膠勢在必行。灌封膠具備許多極性官能團，可以實現(xiàn)和電池外殼塑料、鋁件表層極性基團之間的有機交互，以此充分發(fā)揮粘接與穩(wěn)固等優(yōu)勢作用。而且在灌封膠固化之后，彈性較好，能夠起到較好的減震作用。此外，灌封膠中添加導熱與阻燃劑，可以強化其導熱性與阻燃性，進而實現(xiàn)電池與電芯良好散熱，有效改善電池運轉(zhuǎn)溫度。

3實驗準備

3.1原料

選用黏度為200MPa·s、揮發(fā)分在0.5%以內(nèi)的自制端乙烯基聚二甲基硅氧烷;黏度為50MPa·s，揮發(fā)分在0.5%以內(nèi)，由道康寧投資有限公司生產(chǎn)的聚二甲基硅氧烷;活性氫的質(zhì)量為0.35%，由山東大易化工有限公司生產(chǎn)的有機硅數(shù)值;由上海維沃化工有限公司生產(chǎn)的3000×10^-6鉑乙烯基配合物;粒徑為6um，以佛山華雅超微粉體有限公司生產(chǎn)的氫氧化鋁;粒徑為30um，以秦皇島一諾高新材料開發(fā)有限公司生產(chǎn)的氮化硼;粒徑為50um，密度為0.6g/cm³，由鄭州圣萊特空心微珠新材料有限公司生產(chǎn)的空心玻璃珠。

3.2灌封膠制備

在端乙烯基聚二甲基硅氧烷為100份，聚二甲基硅氧烷為16份，氫氧化鋁為120份，氮化硼為10～40份，放置到攪拌機中分散脫水，時間控制在1h左右，冷卻到40℃以內(nèi)。然后再從中添加有機硅樹脂5份，進行分散脫水，時間控制在15min左右。隨后增添空心玻璃微珠為0-50份，鉑乙烯基配合物為0.5-1.8份，進行真空脫泡，時間控制在10min左右，便可以制得灌封膠。

3.3性能測試

根據(jù)標準GB/T10247-2008進行黏度測試，根據(jù)標準AST-MD5470-2006進行熱導率測試，根據(jù)標準GB/T4472-2011進行密度測試，根據(jù)標準GB8410-2006進行阻燃性測試。

4實驗結(jié)果分析

4.1空心玻璃微珠的影響

在灌封膠性能中空心玻璃微珠的影響結(jié)果具體如表1所示。在熱導率與密度中空心玻璃微珠的影響具體如圖1與圖2所示。

從上可知，在空心玻璃微珠使用量逐漸增多的趨勢下，灌封膠的熱導率與密度都呈現(xiàn)下降狀態(tài)。這主要是由于空心玻璃微珠在通過特殊處理之后，密度相對較低，而且添加少許時，灌封膠的熱導率下降并不顯著。而且空心玻璃微珠不是絕對性的不導熱，只是是以聲子傳導為主要導熱方式。在空心玻璃微珠未全面阻擋導熱通道時，灌封膠的熱導率只稍許下降。而且在輕量化實踐中，目前已經(jīng)有公司采取添加玻璃微珠的方式進行灌封膠密度降低，基于此也未對熱導率造成影響。通過對灌封膠的熱導率與密度進行充分考慮，實驗選擇45份空心玻璃微珠。

4.2氮化硼的影響

最常見的導熱絕緣填料主要有兩大類，即金屬氧化物與氮化物。其中，金屬氧化物的熱導率大約在30W/m·K，熱導率偏低。所以，利用金屬氧化物的時候，需要增加填充量，但是密度相對偏高，會造成灌封膠密度提高，難以滿足鋰電池輕量化灌封膠的多元化要求。而氮化硼熱導率大約在79W/m·K，比金屬氧化物高出2-3倍，而且密度低，大約在2.19g/c^-3m，能夠更大程度上滿足鋰電池輕量化灌封膠使用需要。氮化硼的影響具體如表2所示。

在黏度、熱導率與密度中氮化硼的影響具體如圖3、圖4與圖5所示。

從上可知，在氮化硼使用量不斷增多的趨勢下，灌封膠的黏度、熱導率與密度等都會呈現(xiàn)上升狀態(tài)。這主要是由于氮化硼比表面積比較大，觸變性也比較大，所以會對納米級產(chǎn)品的流動性造成直接性影響。而且阻燃性實驗研究結(jié)果說明，在添加30份氮化硼的時候，灌封膠熱導率能夠達到預期目標，黏度也偏小，但是灌封膠密度卻偏大，幾乎能夠達到1.31g/cm³。

4.3鉑乙烯基配合物的影響

作為高分子材料合成的主要輔助材料，阻燃劑能夠有效防止材料燃燒，或者在很大程度上控制火勢蔓延，促使合成材料的難燃性、自熄性、消煙性等顯著提升。其中，有機阻燃劑中含有多量硫、氮等元素，容易影響液體型硅橡膠的制備。而經(jīng)常使用的阻燃劑，即氫氧化鎂與氫氧化鋁等，極易對灌封膠密度造成影響，所以，不能過量添加。因此，選擇鉑乙烯基配合物，充分發(fā)揮其阻燃性良好，效果突出，密度偏低等優(yōu)勢性，在有機硅材料中廣泛推廣應用。但是，由于成本高，所以也并不常用。鉑乙烯基配合物的性能影響具體表3所示。

從上可知，在鉑乙烯基配合物的用量在1.5份的時候，灌封膠阻燃性能夠滿足鋰電池的需求，盡管成本較高，但是處于可以接受的范圍。

4.4在電池包溫度中灌封膠的影響

處于26℃環(huán)境下時，把灌封膠儲存到中心點存在溫度探頭的鋰電池包內(nèi)，通電以此對溫度進行測試，處于相同條件下，沒有灌封膠的電池包為空白狀態(tài)，以此對電池包溫度中灌封膠的影響作用，具體如表4所示。

從上可知，在運轉(zhuǎn)1h之后，使用輕量化灌封膠的電池包溫度在51℃，低于原電池包大約6℃。這就說明在電池包中添加輕量化灌封膠，能夠在很大程度上提高鋰電池續(xù)航能力、壽命以及安全性。

5結(jié)論

總之，本文通過在端乙烯基聚二甲基硅氧烷中，添加聚合物與有機硅樹脂，以此作為交聯(lián)劑，并選用氫氧化鋁作為阻燃填料，增加鉑乙烯基配合物作為催化劑，選擇氮化硼與空心玻璃微珠作為輔助，最終實現(xiàn)輕量化灌封膠的制備。結(jié)果表明，在端乙烯基聚二甲基硅氧烷為100份，聚二甲基硅氧烷為16份，氫氧化鋁為120份，氮化硼為30份，有機硅樹脂為5份，空心玻璃微珠為45份，鉑乙烯基配合物為1.5份時，所得基于汽車鋰電池的輕量化灌封膠的整體性能處于最佳狀態(tài)。