內(nèi)容編輯 為了保證電氣安全，一直以來動(dòng)力電池的電芯都需要PET“藍(lán)膜”來包敷，但是隨著工作電壓和能量密度的大幅提升，這種絕緣方案開始掉隊(duì)。 近一段時(shí)間，以BMW為首的多家新能源巨頭開始轉(zhuǎn)向一種全新的UV絕緣涂層方案，這有望引發(fā)動(dòng)力電池絕緣方案的新一輪升級(jí)！
2023年初，BMW發(fā)布了一條新聞稿，官宣自家首條電芯噴涂產(chǎn)線正式投入使用。 此舉意味著這家歐洲新能源大廠在動(dòng)力電池的絕緣方案上已經(jīng)全面轉(zhuǎn)向了新型UV絕緣涂層材料。而目前在動(dòng)力電池行業(yè)應(yīng)用最為普遍的電芯“藍(lán)膜”方案，或?qū)⒂纱吮恢鸩饺〈?span style="display:none">ebH樂泰膠水|Loctite膠水|TEROSON|泰羅松膠水|3M膠水|3M膠帶|樂泰膠代理商|-廣州大古電子科技有限公司
其實(shí)所謂“藍(lán)膜”，就是一種PET基材背上PSA壓敏膠制成的單面膠帶，因?yàn)榇祟惍a(chǎn)品以深藍(lán)色居多，所以就被人們簡(jiǎn)稱為“藍(lán)膜”。由于這種薄膜不光絕緣性能好，而且化學(xué)抗性和拉伸強(qiáng)度都不錯(cuò)，因此一直以來都是動(dòng)力電池電氣絕緣和物理防護(hù)應(yīng)用上最主流的方案。只不過“藍(lán)膜”在BMW這里顯然并不受待見，這次他們之所以上馬電芯噴涂產(chǎn)線，意圖就是要將“藍(lán)膜”用一種新型的丙烯酸體系UV絕緣涂層方案來替換掉。而這種新型UV絕緣涂層，是BMW和德國涂料廠商Lankwitzer在傳統(tǒng)的UV漆基礎(chǔ)上針對(duì)動(dòng)力電池的絕緣應(yīng)用耗時(shí)數(shù)年合作開發(fā)出來的新材料。由于這種新型UV涂層在介電強(qiáng)度、化學(xué)抗性和機(jī)械強(qiáng)度上都做到了向“藍(lán)膜”看齊，而且作為UV光固化材料其生產(chǎn)效率也不輸“藍(lán)膜”太多，因此就在BMW的新聞稿發(fā)布的同時(shí)，包括CATL、大眾、沃爾沃等新能源行業(yè)巨頭們也都傳出了即將跟進(jìn)這種全新絕緣方案的消息！那么問題就來了,"藍(lán)膜”在電芯的絕緣應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展多年，無論工藝還是供應(yīng)鏈都已經(jīng)相當(dāng)成熟；而全新的UV絕緣涂層方案不僅需要購置產(chǎn)線設(shè)備還要經(jīng)歷產(chǎn)能爬坡，究竟是什么原因驅(qū)動(dòng)BMW如此大費(fèi)周章地“搞事情”呢？ 雖然這個(gè)問題涉及很多層面，但最為關(guān)鍵的一個(gè)因素就是“藍(lán)膜”的粘接性能太弱了！我們知道，無論是特斯拉的CTB還是寧德時(shí)代的CTP，這些賺足眼球的設(shè)計(jì)都是為了追求更高的輕量化和集成度。基于這個(gè)目的，廠商們?cè)诮M裝電芯的時(shí)候還會(huì)舍棄傳統(tǒng)的金屬框架和緊固件，取而代之將結(jié)構(gòu)膠直接涂在“藍(lán)膜”上，然后將眾多電芯“粘”成一個(gè)整體。
不過如此一來新的問題就產(chǎn)生了—— 一方面“藍(lán)膜”的PSA背膠粘接性能比較有限，基本就處在0.5～2Mpa的水平；另一方面“藍(lán)膜”的PET基材屬于低表面能材料，這就讓結(jié)構(gòu)膠在其上產(chǎn)生的粘接強(qiáng)度也只能達(dá)到2.0~3.5MPa的中低水平。 在這樣的情況之下，當(dāng)電池組受到外力沖擊，一種可能是結(jié)構(gòu)膠發(fā)生界面破壞從“藍(lán)膜”上脫落；而更大的可能則是“藍(lán)膜”的PSA背膠發(fā)生內(nèi)聚破壞直接讓“藍(lán)膜”從電芯外殼上脫落剝離！ 這個(gè)問題在過去雖然也引起過人們的注意，但是早些年絕大多數(shù)車型的電壓平臺(tái)都沒超過400V，因此這種相對(duì)較低的電壓就讓短路擊穿之類的電氣風(fēng)險(xiǎn)處在一個(gè)比較可控的范圍。 但是隨著這兩年新能源車市場(chǎng)的井噴，各大廠商們開始瘋狂堆料“卷”配置——為了進(jìn)一步提升續(xù)航里程和充電速度，自2022年以來市場(chǎng)上涌現(xiàn)出一大批800V高電壓平臺(tái)的新車型！ 如此大幅的電壓提升讓電芯之間產(chǎn)生電弧或絕緣擊穿的概率大大增加，同時(shí)電池系統(tǒng)電壓的一致性也面臨更大挑戰(zhàn)！如果依然沿用“藍(lán)膜”無異于給動(dòng)力電池的安全埋下了一顆定時(shí)炸彈！ 正是在這樣的大背景之下，BMW才不惜血本升級(jí)了電芯的絕緣方案，將原來的PET“藍(lán)膜”替換成了全新的UV絕緣涂層！
那么作為一種全新的材料方案，UV絕緣涂層的電氣性能和可靠性究竟如何，是否真如BMW計(jì)劃的那樣順利替代“藍(lán)膜”呢？ 針對(duì)這個(gè)疑問，材料大廠Parker Lord公司以自家的丙烯酸UV絕緣涂層材料Sipiol UV為研究對(duì)象，專門發(fā)表了一份《電池系統(tǒng)組件的絕緣防護(hù)技術(shù)白皮書》進(jìn)行了探討，從中我們可以對(duì)這種UV絕緣涂層方案建立起一個(gè)大致的認(rèn)知。 這份《白皮書》不僅對(duì)“藍(lán)膜”和UV絕緣涂層進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)還將另外兩種常見的涂層材料——粉末涂料和溶劑型涂料也納入了研究范圍。 然后從工藝性、粘接性能、絕緣性能、邊緣覆蓋性等層面對(duì)比了四種方案的短板與優(yōu)勢(shì)。 由于UV絕緣涂層是一種基于傳統(tǒng)的UV漆開發(fā)出來的材料，因此其設(shè)備與工藝具有較高的通用性。 Parker Lord《白皮書》中涉及的樣件就是采用了較為常見的HVLP重力式噴槍進(jìn)行的噴涂。 噴涂結(jié)束后就是關(guān)鍵的UV光固化環(huán)節(jié)。 在UV光源的選擇上，無論是在BMW的產(chǎn)線還是在《白皮書》中都出現(xiàn)了配備H型燈管的Heraeus F300微波無極UV燈。 根據(jù)《白皮書》中的記錄，當(dāng)UVA設(shè)定為光強(qiáng)1900mW/c㎡、光劑量2300mJ/c㎡時(shí)，50-70微米厚度的Sipiol UV涂層可在數(shù)秒內(nèi)完全固化。相較之下，粉末涂層與環(huán)氧涂層都需要加熱10~30分鐘才能完成固化。因此從生產(chǎn)效率的角度來看，UV絕緣涂層具備接近于“藍(lán)膜”的工藝優(yōu)勢(shì)。粘接性能是大家關(guān)注的重點(diǎn)。正如前面提到的，在當(dāng)今的動(dòng)力電池Pack設(shè)計(jì)中電芯組件通常通過結(jié)構(gòu)膠直接粘合在一起。如果“粘不牢”就意味著車載環(huán)境下的振動(dòng)、沖擊將對(duì)電池的安全性造成極大威脅！ 為了進(jìn)行量化的橫向?qū)Ρ�，《白皮書》采用ASTM D1002標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)歷了-40°C～100°C熱冷沖擊和85°C / 85%RH老化的四種絕緣方案進(jìn)行了剪切強(qiáng)度測(cè)試。 而本次測(cè)試選用的結(jié)構(gòu)膠是Parker Lord自家生產(chǎn)的的Fusor® 2098環(huán)氧膠。
在對(duì)各個(gè)樣件的剪切失效模式進(jìn)行分析匯總后可以發(fā)現(xiàn)： “藍(lán)膜”的失效以PSA膠層的內(nèi)聚破壞為主，體現(xiàn)在應(yīng)用場(chǎng)景就是“藍(lán)膜”比較容易從電池外殼上撕下來；這種情況意味著電芯的絕緣性能已不完整，發(fā)生短路的可能性急劇升高，因此以紅色標(biāo)出。 粉末涂層和環(huán)氧涂層則存在與結(jié)構(gòu)膠之間發(fā)生界面破壞的情況，說明結(jié)構(gòu)膠與涂層之間的粘接強(qiáng)度是薄弱環(huán)節(jié)；不過此時(shí)的涂層依然牢固地附著在電池外殼上絕緣性能未受影響，因此標(biāo)為黑色。 而UV絕緣涂層的表現(xiàn)就比較令人滿意了，所有的失效模式均是涂層本身的內(nèi)聚破壞，這意味著涂層與結(jié)構(gòu)膠和電池外殼之間的粘接力大于涂層自身的內(nèi)聚力，從粘接性能的角度來看屬于最理想的效果，因此就以綠色標(biāo)出。
材料的絕緣性能很重要的一個(gè)維度就是介電強(qiáng)度，這個(gè)屬性直接關(guān)系到動(dòng)力電池的電氣安全性。從下表中可以看到，在本次評(píng)估的四種絕緣方案中，“藍(lán)膜”的介電強(qiáng)度最高，UV絕緣涂層次之，而粉末涂層最低。那么具體到動(dòng)力電池各個(gè)組件的絕緣需求，靠近電芯的組件通常需要能夠承受約3kV電壓，而冷卻板之類組件的擊穿電壓則必須高于5kV。因此這次Parker Lord就在《白皮書》中將擊穿電壓及格線設(shè)定成了6kV。從下面的曲線就能看出，“藍(lán)膜”發(fā)揮最為穩(wěn)定，無論薄厚它的擊穿電壓都維持在10kV以上的高位；而UV絕緣涂層和環(huán)氧涂層的膜厚大于100微米之后就能到達(dá)及格線；只有粉末涂層，因?yàn)楸旧淼慕殡姀?qiáng)度較低，其厚度大于200微米時(shí)擊穿電壓才能超過5kV。“藍(lán)膜”雖好，但粘接性能是短板，會(huì)直接影響到動(dòng)力電池的安全與可靠性； 環(huán)氧涂層與粉末涂層的粘接性能相對(duì)不錯(cuò)，但是在生產(chǎn)效率、絕緣性能與邊緣覆蓋性能上存在各自的短板； 只有UV絕緣涂層，不僅彌補(bǔ)了“藍(lán)膜”的短板，在其它關(guān)鍵性能上又優(yōu)于粉末涂層與環(huán)氧涂層，可謂是沒有明顯短板的“五邊形戰(zhàn)士”了！ 當(dāng)然，即便UV絕緣涂層如此之好，作為一種全新的應(yīng)用它的普及必然也不會(huì)一帆風(fēng)順。 比如現(xiàn)階段的HVLP噴涂工藝，一方面會(huì)造成大量的材料浪費(fèi)，另一方面又需要額外搭建噴涂車間，這無疑抬高了用戶從“藍(lán)膜”轉(zhuǎn)投UV絕緣涂層的切換成本。 針對(duì)這個(gè)問題，目前已經(jīng)有設(shè)備廠商在配合用戶端嘗試運(yùn)用打印噴涂的方式替代主流的空氣噴涂工藝。我們有理由相信，一旦這個(gè)新工藝開發(fā)成功，必然會(huì)幫助UV絕緣涂層在動(dòng)力電池上的應(yīng)用迎來一輪爆發(fā)式增長(zhǎng)！
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