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【新能源(yuán)汽車導熱結構膠】行業材料迭代(dài)+結構優化,國產替代加速

  • 文章來源:搜狐新聞
  • 發布時間:2022-11-12
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1.“裏程焦慮”與“安全(quán)焦(jiāo)慮”推動導熱結構材料爆發

驅動因素1:續航裏程(chéng)提升(shēng)趨勢下,輕量化需求強勁

在不改變電池係統總能量的情況下,電池係統質量降低能夠(gòu)有(yǒu)效提高其續航裏程,電動汽(qì)車質量減10%,能提高續駛裏(lǐ)程5.5%。 電池係統重量在新能源汽車總重量中占有較大(dà)的比重。較傳統燃油汽車而言,電動汽車(chē)核心(xīn)的(de)三電係統(tǒng)(電池、電機、電控)和智(zhì)能化設備,使 得電動車(chē)相比同類車型電動乘用車重量增加10%-30%,電動商用(yòng)車重量增加10%-15%,其中電池Pack整包占(zhàn)整車整(zhěng)備質(zhì)量的18%~30%。 根據《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》,到2035年,燃油乘用車整(zhěng)車輕量化係數降低25%,純電(diàn)動乘用車整車輕量化係數降低(dī)35%,相比 於燃油車,新能源汽車輕量(liàng)化需求(qiú)更強。

輕量化路徑:材料輕量化、結(jié)構集成化齊頭並進

材料迭代+結構優化,輕量化結(jié)構件。以特斯拉Model3為例(lì),電池Pack各主要部件中,質量最大的是電芯本(běn)體(62.8%),其次為Pack下(xià)箱體 (6.2%)、模組殼體及支(zhī)架(12.3%)和BMS等部件集成係統(11.1%)等。從這些部件出發,通(tōng)過材料替換和結構設計優化(huà),對電(diàn)池進(jìn)行輕 量化開發。 對於電芯模組輕量(liàng)化設計(jì),可通過(guò)改進電芯排布優化電(diàn)芯間距;利用能(néng)量密度高的材料作(zuò)為電芯正負極;使用(yòng)密度較低(dī)的灌封膠解決熱傳導問 題;減少(shǎo)模組(zǔ)對於電池pack和底盤輕量(liàng)化設計(jì),除了電池Pack采用鋁合金等輕質的材料之外,還可通過CTB、CTC等技術,將電池和車身進 一(yī)步集成化。減少模組殼體及其他附件質量的(de)數量從而大幅降低電池質量;小模組-大模組-CTP-CTC/CTB,動力電池(chí)集成方式創新精(jīng)簡(jiǎn)模組殼體和非必要 部件質量。在輕量化趨勢下,結構件和焊接減少(shǎo),從而增加了(le)膠粘劑的使用(yòng)量。

集成度(dù)提升,帶動(dòng)膠(jiāo)及結構製件價(jià)值量提升

Cell to Pack(CTP) :減少或去除電池“電芯-模組-整包”的三級 Pack結構的技術。目前(qián)有兩種不同的技術路 線:以比亞迪刀片電池為(wéi)代表的徹底取消模組 的方案(àn);以寧德時代CTP技術為代表(biǎo)的小模組 組合成大模組的(de)方案,提高了能量密度和體積 利用率。CTP中電芯熱失控管理難度加大,對 內部結構導熱膠對模組散熱的要求,以及外部 隔(gé)熱膠隔熱和阻燃的要求(qiú)更高(gāo)。

驅動因素(sù)2:安全事故頻發,熱管理需求持續提升

目前消費(fèi)者對於新(xīn)能(néng)源汽車需求從“裏程焦慮”轉(zhuǎn)向“安全(quán)焦慮” ,熱失控已經成為電(diàn)動車安全問題核心考量(liàng)因(yīn)素。熱失控是電池內部出現放熱連鎖反應引起電池溫(wēn)升速率急劇變化的過熱現象,發生時(shí)通常伴隨著冒煙、起火、爆炸等(děng)危(wēi)害。在電池組中,若局部區域電池發生的熱失控事件失去控製,將(jiāng)擴展到周圍區域的電池,形成“多米諾骨牌”效應,最終引起熱失控在係統 內擴展而導致極大(dà)的危害,因此,熱失控擴展的抑製尤為重要。對良好的(de)機械安全性,包括抗衝擊能力以及震(zhèn)動穩定性的需求提升,是使得新能源車內導熱、隔(gé)熱材料(liào)需求提升的原因之一。

防火隔(gé)熱材料:隔熱(rè)、泄壓、散熱方式防止熱擴散

相(xiàng)比於傳統汽車,電動車由(yóu)於增加了(le)電池、電機、電控等部件,對於熱管理所用膠粘劑在性能、數量上都(dōu)帶來了更大的市場空間。為(wéi)平衡電池效率與熱(rè)安全保護,需防止單體熱擴散。為了提高(gāo)能量密度而使用高鎳三(sān)元正極材料時,鋰離子(zǐ)易形成鋰(lǐ)枝晶(jīng)刺穿(chuān)內部隔膜導致(zhì)短 路,同時由於材料(liào)間(jiān)鍵強不(bú)同(tóng),隨鎳(niè)含量的增加電池熱穩定性下降。因(yīn)此為了防止讓電池單體自(zì)燃擴(kuò)散至整個動力電池包,一般廠商通(tōng)過控製(zhì) 影響(如隔熱)和保持溫度(如泄壓(yā)、散(sàn)熱)兩方麵解(jiě)決。 不同(tóng)電芯使用的防火隔熱材料不同。目前三元電池(chí)係統中主要在采用的防火隔熱材料主要有氣凝膠、隔離板、隔熱泡棉、熱(rè)陶瓷。由於不同形 狀電芯的膨脹率、比表麵積、熱(rè)失控難易程度不同,不同公司采用不同防火隔熱材料進行隔熱處理。

2. 三大需求引(yǐn)領,高性能膠粘劑是首選

輕(qīng)量化需求:低密度(dù)膠(jiāo)為整車重量做減法

在新能源汽車輕量化趨勢下,對於連接形式選擇,可降低結構件用量,提(tí)升用膠量來減輕電池重量;對於用膠選擇,在(zài)相同體積下,密度較低 的膠粘劑(jì)能夠大幅降低動力電池質量,因(yīn)此低密度(dù)是(shì)重(chóng)要(yào)選擇標準。 以聚(jù)氨酯發泡膠、有機矽發(fā)泡膠為代表的發泡膠在擁(yōng)有減震、緩衝、隔音、保護、絕緣為一體的優勢的同時,具有密(mì)度低的特點。以集泰股份推出集泰-有機矽發泡膠F6351為例,常規導熱灌(guàn)封膠比重1.8~2.2相(xiàng)比,同等體(tǐ)積填充下,膠的重量可(kě)減少50%以上,用於動力(lì)電 池熱管理可以做到輕量化(huà)隔熱(rè)效果。

熱管(guǎn)理(lǐ)需求:導熱、保溫、隔熱(rè)三管齊下

導熱需求:鋰離子電池充放電電流較大(dà),並(bìng)伴隨著(zhe)多種化學物質傳輸(shū)和電化學反(fǎn)應,散熱條件較差,引起電池內部溫度升高(gāo)。車輛底盤空間有 限,電(diàn)池模塊必須(xū)緊密排列。然而緊密排列的電池一方麵容易導(dǎo)致熱量堆積,且不同位置的(de)電芯往往(wǎng)溫度也不(bú)完(wán)全一致。離子電池工作溫度 30-40℃時,溫度每升(shēng)高1℃,電池使用壽命越(yuè)降低2個月。 隔熱需求:導熱不暢情況下,過高的溫度易導致冒煙、起火、爆炸等危險需(xū)要有效,需要在有(yǒu)良好的隔熱效果的基礎上(shàng)保證阻(zǔ)燃效果(guǒ)。 保(bǎo)溫(wēn)需求:低溫下,電解(jiě)液增稠(chóu)致使導(dǎo)電介質運(yùn)動受阻,電化(huà)學反應速率(lǜ)和反應深度降低,從而導(dǎo)致電(diàn)池容量下降,動力電池宏觀表現出冬(dōng)季 環境下電動汽車“虧電”現象(xiàng)。 除熱管理係統外,動力電池通常使用具(jù)有高導熱(rè)性、強絕緣性的導熱膠為(wéi)動力電池傳(chuán)導熱量,降低電芯間溫差;隔熱膠則(zé)可防止電池(chí)內部(bù)爆炸 時的熱量快速傳(chuán)導,在發生熱失控事故時給乘客(kè)較長的逃生時間,此類膠通常(cháng)絕熱性、耐熱(rè)性和(hé)阻燃性較好。

熱管理需求:CTP技術下的熱管理

基於CTP的熱管(guǎn)理方法:新型CTP設計可以減(jiǎn)少(shǎo)一半的熱界麵材料,從原有模組上層電芯至模組(CTM)填縫膠和下層模組至電池包(MTP)的填(tián) 縫膠變成1層電芯到冷卻板的導熱膠粘劑;並減少了一半的接口數量,從原有的4個變為現有的2個接口(kǒu),還去掉了模組(zǔ)外(wài)殼。這顯著降低了電 池(chí)堆的熱阻,進而(ér)降低了冷卻板的冷卻(或加熱(rè))負荷,支持使用導熱率較低的填縫膠。另一方麵(miàn),由於不再使(shǐ)用模組外殼來防止電池受到環 境影響,需要導熱膠擁有更嚴(yán)格(gé)的(de)環境耐受性和機械性能。

3.從傳統汽車到三電係(xì)統, 單車價值量提升高(gāo)達2-3倍

傳統汽車:膠粘劑應用點/應用量固定,增量空間小

汽車工業已經成為建築和輕(qīng)工業以外最受關注的膠粘(zhān)劑應用領域。20世紀90年代以後,汽車工(gōng)業隨著中國經濟的高速增長有了(le)長足的發 展,我國汽車大規模生產能(néng)力的提升也(yě)帶動了車用膠粘劑(jì)的市場(chǎng)規模增長。 傳統燃油車膠(jiāo)粘劑應用點眾多,種類有聚氨酯膠、有機矽橡膠、厭氧(yǎng)膠、丙烯酸酯(zhǐ)膠等,應用於汽(qì)車裝配中不同的模塊,包括車體結構 粘接密(mì)封;汽車內飾的粘(zhān)接固定;汽車箱體結合麵的粘(zhān)接密封;金屬材料間的粘(zhān)接等。相對於新能源汽車(chē)而言,傳統燃油汽車動力模式 較為固定,相對而言膠粘劑的應用點和應(yīng)用量也較為(wéi)固定(dìng),通常為2-3kg/輛,後續增量空間較小。除了將(jiāng)零件固定在一(yī)起之外,燃油車傳動係統膠粘劑應用還專(zhuān)注於密封冷卻劑、燃料、潤滑劑和空氣/氣體,同時(shí)防止汙染物進入,而電 動汽車(chē)傳動係統膠粘劑功能還包括將(jiāng)濕氣、水(shuǐ)、空氣、灰(huī)塵和其他汙染物阻擋在(zài)係統之外。

電芯層麵:關注隔熱材料和極耳絕緣膠帶技(jì)術創新升級(jí)

電芯層麵,動力(lì)電(diàn)池安全性對於隔熱材料的要(yào)求不斷提升,一方(fāng)麵需要隔絕外界溫度變化對電芯的影響,一(yī)方(fāng)麵需降低相鄰電芯互相的(de) 熱量影響,隔熱材料的隔熱性、耐熱性(xìng)和阻燃性都是重要改進方向。 極耳膠(jiāo)帶需(xū)要具有耐(nài)高溫,耐熱(rè), 耐(nài)鋰離子電池電解液,耐溶劑,高(gāo)電氣絕緣性,粘(zhān)著力適宜和貼服性以及再剝離不殘膠等特性。

電(diàn)池包層麵:多膠種(zhǒng)構建動力電池安全屏障

電(diàn)池(chí)包中(zhōng)應用的膠粘劑主要有結構膠(導熱與絕緣)、灌封和密封膠(密封(fēng)和導熱)、功能性膠(導(dǎo)熱和導電)幾種。結(jié)構膠主要用於 結構件的固定和上(shàng)下殼體與電芯(xīn)的(de)連接,密封膠主要用於殼體的密封保護,灌封膠(jiāo)主要起到灌封和導熱作用,而功能(néng)性膠擁有導電、導 熱等性(xìng)能,是動力(lì)電池安全管理重(chóng)要組成部分。以一個CTP磷酸鐵鋰電池包為例,通常需要導(dǎo)熱結構膠(jiāo)2.5kg,無導熱作用的結構膠1kg,密封(fēng)膠0.7kg左右。

4. 三大應用體(tǐ)係,導熱導電膠等功(gōng)能膠需求(qiú)持續提升

結構膠:滿足機械性能需求(qiú),實現安全可靠的輕量(liàng)化設計

結構膠是指應用於受力結構件膠接場合,能承受較大動負荷、靜負荷並能長(zhǎng)期(qī)使用(yòng)的膠粘劑(jì)。代替螺栓、鉚釘或焊接(jiē)等形式用來接合金屬、塑 料、玻璃(lí)、木材等的結構部件,屬於長時間經受大載荷、而性能仍可信賴的膠粘(zhān)劑。在動力電池中(zhōng),主要用於粘接電芯與電芯、電(diàn)芯與泡棉、 電芯和模組外殼等,使電芯與模組成為一(yī)體化,滿足模組的振動、衝擊和跌落等(děng)要求。

密封膠:為動力電池應對(duì)複雜使用環境提供防護

密封膠又稱密(mì)封劑、密封材料,按(àn)照ISO-6927術語標準(zhǔn)定義(yì),密封膠是以(yǐ)非定型狀態(tài)嵌(qiàn)填接縫(féng),並與接縫(féng)表現粘接成一(yī)體,實現接縫空封的 材料。主要由基料、增(zēng)塑(sù)劑、防腐(fǔ)劑、穩定劑、偶聯劑、填料、固化劑等組成。 按主要成分(fèn),分為聚硫(liú)密(mì)封膠、矽酮密封膠、聚(jù)氨酯密封膠、丙(bǐng)烯酸酯密封膠、環氧樹脂膠、氟(fú)橡膠(jiāo)、氯丁橡膠、丁腈橡膠,其中聚硫密封膠、 矽酮密封(fēng)膠、聚氨酯密封膠為目前性能最好的三大彈性密封膠(jiāo)。 按形態(tài)分,可分為膏狀密封膠、液態彈性密封(fēng)膠、熱熔密封膠和液體密封(fēng)膠。

功能膠之導熱膠:實現熱量傳導,有效避免(miǎn)熱失控

導熱膠主要用於完成電芯與電芯(xīn)之間,以及(jí)電芯與液(yè)冷管之間的熱傳導,膠的(de)具體使用形式包括墊片、灌封、填充等。導熱膠主要由樹脂基體(環氧樹脂、有機矽和聚氨酯等)和導熱填料【提高導熱性,有氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)以及氮化矽(Si3N4)、氧化 鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)等)組成】。導熱填料分散於樹脂基體中(zhōng),彼此間相互(hù)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(gāo)膠(jiāo)粘(zhān)劑熱導率的目的。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。

5.導熱導電膠需求持續提升,關(guān)注有機矽/聚氨酯體(tǐ)係及(jí)氣凝膠應用進(jìn)展

性能分類:聚氨酯、有(yǒu)機矽性能占優,市場占(zhàn)比提升

動力電池初期(qī)多用環氧(yǎng)樹脂和丙烯酸作(zuò)為膠粘(zhān)劑主要(yào)成分,動力電池(chí)革新(xīn)後環氧樹(shù)脂和丙烯(xī)酸弊端逐(zhú)漸凸顯:1.動力電池具有呼吸作用,對 膠粘劑彈(dàn)性要求較大,而環氧樹脂與丙烯酸彈性較小;2.電池廠(chǎng)對於生產潔淨度要求較高,而環氧樹脂與丙烯酸在生(shēng)產(chǎn)過程中通常較髒。聚氨酯和有機矽逐步成為主(zhǔ)流。以聚氨酯何有機矽為主要成分的膠粘劑(jì)生(shēng)產潔淨度高,彈(dàn)性和粘接強度相較於環氧樹脂和丙(bǐng)烯酸具有(yǒu)優勢, 且有機矽耐高溫(wēn)性能佳,在能量密度與電池工作溫度提升的趨勢下,有機(jī)矽或成為主(zhǔ)流。

聚氨酯膠:機械性能、耐低溫(wēn)性能占優

聚氨酯是主鏈上(shàng)含有重複氨基甲酸酯基團(-NHCOO-)的大分子化 合物的(de)統稱,由有機二異氰酸酯或多異氰酸(suān)酯與二羥基(jī)或多羥基(jī)化 合物加聚而成。聚氨酸大分子(zǐ)中除了氨基甲酸酯外,還可含有醚、 酯、脲、縮(suō)二脲,脲基甲(jiǎ)酸酯等基團。 聚氨酯表現(xiàn)出高度的活性與極性,與含有活潑氫的基材反應生成(chéng)聚 氨酯基團或者聚脲,從而(ér)使得體係強度大大提高而實現粘(zhān)接的目的。 聚氨酯膠能夠室溫(wēn)固化,因而對金屬、橡(xiàng)膠、玻璃、陶瓷、塑料、 木材、織物、皮革等多種材料都有(yǒu)優良的膠粘性能。聚氨酯的主鏈(liàn) 柔性很好,其最大特點是耐受衝擊震動和彎曲疲勞,剝離(lí)強度很(hěn)高, 特別是耐低溫性能(néng)極其優異。 根據百川盈孚,我國2021年聚合MDI的消費量約125萬噸(dūn),下(xià)遊主 要包括家電(diàn)和(hé)建築,純MDI消費量約78萬(wàn)噸,下遊主要是氨綸和 TPU等。

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