動力電池的發(fā)展變化
在電動汽車發(fā)展的前幾年，動力電池是由數(shù)個或數(shù)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(shù)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(xù)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（celltopack），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(xù)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(tǒng)的機械連接方式。 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(xiàn)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(xiàn)熱管理的部分功能作用，兼顧結構粘接要求。這篇文章我們主要探討
一類結構粘接的具體性能要求。這一類的結構膠粘劑必須起到把電芯與PACK殼體可靠連接、固定的作用，代替原來模組結構的機械連接。由于整體PACK以及內部結構的可靠性、穩(wěn)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8MPa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(jù)電芯從尺寸及外形不同，一般粘接面積可以達到3000mm2以上，單個電芯粘接力可達24000N以上，有的特殊形狀的方形電芯可以讓粘接面積達到17000mm2，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(wěn)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。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。
圖 1 方形電芯一般采用 PET 藍膜包覆
圖 2 絕緣粉末涂層電芯殼體
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(huán)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。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(xiàn)。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(fā)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(tài)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。有公司及一些標準儲能模量（常溫）要求低于800MPa，甚至個別的結構膠要求低于300MPa。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(huán)和濕熱老化測試來考察?？梢詤⒄誈B/T7124的相關規(guī)定測試。耐冷熱循環(huán)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(huán)，單次循環(huán)模式見圖3，循環(huán)次數(shù)可以由電池包設計及膠粘劑供應商雙方商定。
圖 3 冷熱循環(huán)圖
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%。
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(huán)境，采用鋁—膠—鋁三明治結構膠層厚度0.5mm進行測試，要求達到V0級?？梢园凑誈B/T2408的規(guī)定進行測試。 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10kV/mm；體積電阻率要大于1×1012Ω.cm?？梢詤⒄誈B/T1408的相關規(guī)定測試。 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(tǒng)中，熱管理是非常重要的一個子系統(tǒng)，電芯的熱量需要能夠及時散發(fā)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(fā)揮這個作用，它的主體作用與我們前面探討的結構膠是不一樣的，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(shù)能夠在0.2W/(m·K)以上，能夠起到一定的導熱散熱功效［空氣的導熱系數(shù)約為0.0267W/(m·K)］。 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/T31467.3電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》。 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(jù)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(yè)的特點是生產批量大、節(jié)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(xiàn)在以下幾個方面： 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(xiàn)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(jié)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(shù)。裝配工藝節(jié)拍的不同、自動化程度不同，以及后續(xù)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(jié)拍裝配，常溫后固化，則可操作時間要求比較短，可能會要求≥5min，甚至更短；如果是裝配節(jié)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≥40min。 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(xù)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(xù)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(jù)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0.5MPa），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30～60min。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15～20min，達到0.5MPa的定位強度。后固化可在80℃、4h時達到8MPa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。 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(wěn)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(wěn)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2m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5～10m，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60000cps。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(wěn)定的混合效果。 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(fā)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定、精確地混合，也有利于粘接質量的穩(wěn)定保證。 綜上所述，動力電池CTP結構的粘接用結構膠，從應用角度來看，基本性能要求具有良好的材質適應性、高強度低模量、良好的耐候性以及阻燃絕緣環(huán)保等基礎性能。配合動力電池的組裝工藝過程，在操作時間、初固定位時間、觸變性和混合比例方面有一些工程性的工藝性能要求。富樂公司深入動力電池粘接應用研究，近期推出的動力電池結構膠產品AT1241/AT1242，具有更高的強度更低的模量，完全貼合了新能源汽車的應用環(huán)境以及組裝工藝要求，可以根據(jù)裝配工藝常溫固化或高溫加熱固化，讓CTP結構的動力電池PACK組裝更多選擇。（轉載）
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