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。應用在動力鋰電池組裝中的膠黏劑類型包括,結構膠粘劑、導熱膠粘劑、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。

今天從導熱膠的基本特性開始。

在熱設計中往往要考慮電池充放電功率與發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,獲得適當的工作溫度,對充分發揮電池性能,維護合理電池壽命都有重要意義。合理選擇熱傳遞介質,不僅要考慮其熱傳遞能力,還要兼顧生產中的工藝、維護操作性、優良的性價比。從原理說起。

導熱膠為何導熱

導熱膠重要由樹脂基體[EP(環氧樹脂)、有機硅和PU(聚氨酯)等]和導熱填料組成。導熱填料的種類、用量、幾何形狀、粒徑、混雜填充和改性等對導熱膠之導熱性能都有影響。導熱膠的導熱原理:固體內部導熱載體重要為電子、聲子(在介電體中,導熱是通過晶格的振動來實現的,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,故非晶體導熱也可用聲子的概念進行分析,但其熱導率遠低于晶體;大多數聚合物是飽和體系,無自由電子存在,因此,在膠粘劑中加入高導熱填料是提高其導熱性能的重要方法。導熱填料分散于樹脂基體中,彼此間相互接觸,形成導熱網絡,使熱量可沿著“導熱網絡”迅速傳遞,從而達到提高膠粘劑熱導率的目的。

導熱膠一般有哪幾種形式

為了適合各種環境和要求,對可能出現的導熱問題都有妥善的對策,導熱產品有非常多的細分類型,這里不僅限于動力鋰電池系統內的應用場景。

1)相變導熱絕緣材料

利用基材的特性,在工作溫度中發生相變,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)導熱導電襯墊

高導熱能力和低電阻的導熱材料,一般在電子電器內部使用,其熱傳導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)熱傳導膠帶

用在發熱器件與散熱器之間的粘接,能同時實現導熱、絕緣和固定的功能,能減小設備的體積,是降低設備成本的一項選擇。

4)導熱絕緣彈性橡膠

良好的導熱能力和高等級的耐壓,符合目前電子行業對導熱材料的需求,是替代硅脂導熱膏加云母片的二元散熱系統的最佳產品。該類產品安裝便捷,利于自動化生產和產品維護,是極具工藝性和實用性的新型材料。

5)柔性導熱墊

一種有較厚的導熱襯墊,專門為利用縫隙傳遞熱量的設計方法生產,能夠填充縫隙,完成發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部的應用。

6)導熱填充劑

也可以作為導熱膠使用,不僅具有導熱的功效,也是粘接、密封灌封材料。通過對接觸面或罐狀體的填充,傳導發熱部件的熱量。圓柱電池模組是典型應用了。

7)導熱絕緣灌封膠

導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。該膠固化后導熱性能好,絕緣性優,電氣性能優異,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。

影響導熱膠性能的因素有什么

填充型膠粘劑的熱導率重要取決于樹脂基體、導熱填料及兩者形成的界面,而導熱填料的種類、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熱性能出現影響。

1)導熱填料的種類和用量

填料種類和用量均會對膠粘劑熱導率出現影響。當填料較少時,填料被基體樹脂完全包裹,絕大多數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率。隨著填料用量的新增,填料在基體中逐漸形成穩定的導熱網絡,此時熱導率迅速新增,并且填充高熱導率填料更加有利于提高膠粘劑的熱導率。然而,填料的熱導率過大也不利于體系熱導率的提高。研究表明:當填料與基體樹脂的熱導率之比超過100時,復合材料熱導率的提高并不顯著。

上一個研究實例中顯示的數據,用以說明填料的量與傳熱性能的關系。在膠粘劑中添加高導熱填料后,復合材料的熱導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%(相關于環氧樹脂EP質量而言)時,熱導率為0.335W(/m·K);當w(SD)=50%時,熱導率為1.07W(/m·K),較純樹脂提高了3.5倍;當w(SD)<20%時,體系的熱導率緩慢新增;當w(SD)>20%時,體系的熱導率迅速上升。這是因為當w(SD)>20%時,顆粒之間開始相互接觸,逐漸形成導熱鏈;當w(SD)=50%時,顆粒之間大量接觸,形成導熱網絡,故熱導率顯著提高。

2)導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率。納米粒子的量子效應使晶界數目新增,從而使比熱容增大且共價鍵變成金屬鍵,導熱由分子(或晶格)振動變為自由電子傳熱,故納米粒子的熱導率相對更高;同時,納米粒子的粒徑小、數量多,致使其比表面積較大,在基體中易形成有效的導熱網絡,故有利于提高膠粘劑的熱導率。對微米粒子而言,填料用量相同時大粒徑的導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(更易形成有效的導熱通路),有利于膠粘劑熱導率的提高。一個具體案例,研究表明:當填料用量相同時,含30nm的Al2O3體系之熱導率相對最高,含20μm的Al2O3體系之熱導率其次,而含2μm的Al2O3體系之熱導率相對最低。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熱網絡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,無法形成有效的導熱網絡,故2μm的Al2O3填充體系之熱導率相對最低。

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熱網絡概率不同,較大長徑比的導熱填料更易形成導熱網絡,從而更加有利于提高基體的熱導率。上數字,研究表明:當φ(納米級銀線)=26%(相關于環氧樹脂EP膠粘劑體積而言)時達到滲流閾值,熱導率從5.66W(/m·K)增至10.76W(/m·K);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形成導熱網鏈的概率新增,填料較少時即可達到較高的熱導率。

3)導熱填料的混雜填充

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率。同種填料不同形態的混雜填充比單一球形填料填充更易獲得高熱導率的膠粘劑。不同種類的填料在適當配比時,混雜填充亦優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構,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率。研究表明:當w(AlN)=80%(相關于硅橡膠質量而言)、粒徑分別為15、5μm時,體系的熱導率分別為1.83、1.54W(/m·K);在保證AlN總用量不變、兩種粒徑的顆

粒質量比為1∶1時,體系的熱導率為1.85W(/m·K)。大小粒徑摻雜比單一粒徑的熱導率高,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率。

4)導熱填料的表面改性

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率。

一個導熱膠影響力試驗

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,比較導熱膠填充電池間隙和考察系統最高溫度和最大溫差,

(導熱膠參數)

(模組排布)

(不同充放電倍率時電池單體發熱功率)

(不同工況溫差比較)

案例比較分析了勻速行駛、持續加速和NEDC3種工況,電池單體間隙填充導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。進行電池包熱設計時,在電池包結構無法做出改變的情況下,可通過在電池單體之間填充導熱膠的方式來降低電池包的溫升與溫差。在可變更電池包結構的情況下,通過改變電池包結構和在電池單體間填充導熱膠來使電池包處在合適的工作環境下。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。