有机硅灌封胶在新能源汽车动力电池中的应用研究

雷震1 涂程2 付诺3 王天强4

（成都硅宝科技股份有限公司  成都610041）

摘要：锂动力电池的安全性对新能源汽车产业的发展至关重要。本文从动力电池组运行现状、安全问题的分析，重点考察了国内外5种低密度有机硅灌封胶对三元动力电池组温度场、防撞击、针刺和过充安全性能的影响。结果表明，5种低密度有机硅灌封胶产品能均衡动力电池组内温度，一定程度的提高了动力电池组的稳定性；经封装的动力电池组抗撞击和针刺性能明显提高，其中硅宝GB4926有机硅灌封胶能同时实现了动力电池组的针刺试验、过充防爆苛刻的安全要求，提升了新能源汽车的整体安全性。

关键词：动力电池组，有机硅灌封胶，温度场变化，防撞击，针刺试验，过充测试 

Application Research of Silicone Pouring Sealant in New Energy Vehicle Power Battery

Lei Zhen1  Tu Cheng2  Fu Nuo3  Wang Tian qiang4

（Chengdu Guibao Science & Technology Co. ,Ltd.   Chengdu 610041，Sichuan）

Abstract: The safety of lithium-ion batteries is critical to the development of the new energy vehicle industry. The running station and safety issues of power battery packs was analyzed in this paper, The effects of five low-density silicone pouring sealants at home and broad on the temperature field, anti-collision, acupuncture and overcharge safety performance of ternary power battery packs were also investigated. The results show that the five low-density silicone pouring sealants all can balance the temperature inside the power battery pack and improve the stability of the power battery pack to a certain extent. At the same time, the performance of anti-impact and acupuncture of the packaged power battery pack is also obviously improved. Compared with other four silicone pouring sealants, GB4926 can simultaneously realize the needle punch test of the power battery pack and the stringent safety requirements of overcharge and explosion, and improve the safety of new energy vehicle.

Keywords: power battery; Silicone potting compound; Temperature field change; Anti-impact ; Acupuncture test; Overcharge test

近两年新能源汽车的高速发展是有目共睹的，2017年，中国新能源汽车生产81.9万辆，同比去年的51.6万辆增长58.7%。今年1-8月，新能源汽车生产60.7万辆，同比去年增长75.4%，其中纯电动汽车生产45.5万辆，同比增长60.2%[1]。新能源汽车的快速发展同时带动了动力锂电池的发展。今年1-8月，我国动力电池累计产量达38.52GWh，其中三元电池累计生产20.12GWh，占总产量比52.23%；磷酸铁锂电池累计生产17.78GWh，占产量总比46.17%[2]。随着政策导向、市场新需求，三元动力电池呈现快速增长的态势，其能量密度不断提高，续航能力得到明显提升，但这给高镍体系电池增加了热管理和安全的难度。据高工锂电不完全统计[3]，自2018年以来，国内新能源汽车起火事故已发生十多起，涉及到乘用车、客车、物流车等不同车型。大部分原因指向了动力电池，包括电池漏液、电池高温或过充以及线路老化等问题。根据消防部门的总结来看[4]，新能源汽车的自燃主要体现在充电过程中燃烧、电池行驶或放置过程中引发的燃烧、碰撞翻车引发的燃烧、涉水引发的燃烧这四种情况。

行业专家指出“纯电动汽车最大的风险就是电池的安全性，所以必须确保电池安全”[5]。现阶段新能源汽车的动力电池有结构外壳防护、隔膜阻断保护、过充电压防护、BMS等多种保护方式，但其稳定运行和安全性问题仍有待持续改善。近三年有机硅导热材料在动力电池防护中的应用，包括使用导热粘接、垫片、灌封胶等，起辅助散热、粘接作用。当前新型动力电池组以提升电池能量密度和过度安装电池方式来提高新能源汽车的续航里程。这样注重比容量提高和过度安装，多个因素的叠加，使得电动汽车的安全性更受威胁。结合当下起火事故频发，其电池的安全风险陡增，动力电池公司对有机硅灌封胶提出极高要求，需求低密度高导热，防撞击，阻燃防爆等性能。

因此，本文将研究国内外用于锂动力电池组的封装保护的低密度有机硅灌封胶，并重点讨论5种低密度有机硅灌封胶对三元动力电池组温度场、防撞击、针刺和过充安全性能的影响。

1实验

1.1测试样品及实验仪器

有机硅灌封胶测试样品：GB4926灌封胶样品，成都硅宝科技公司产品；GF-1#，GF-2#灌封胶样品分别为国外某2家有机硅公司产品，GF-3#、GF-4#灌封胶样品为国内某2家有机硅公司产品。

三元动力电池模组（电芯2.4Ah，电压4.0V），国内某动力电池公司。

实验及检测设备：旋转黏度计（DV2TRVTJO）：美国BROOKFIELD；导热仪（TPS-2500S）：瑞典Hot Disk公司；硬度计（LX-A(C)型）：无锡市前洲测量仪器厂；水平-垂直试验仪（AG5100A）：珠海市安规测试设备有限公司。电池测试充电仪（KXN-3050D）：深圳市兆信电子仪器设备有限公司；数显式万用表（LA812301）：上海鑫购实业有限公司；电子秒表（MS84301）：上海秒表厂；阻燃环氧板、绝缘胶带等工具。

1.2 有机硅灌封胶制备和性能测试

有机硅灌封胶制备：将5种有机硅灌封胶在温度为23±2℃，湿度为55±5%RH条件下放置24h后，按照相应的混合比例混合3～5min至均匀，制备相应试样进行各项性能测试和封装动力电池组。

性能测试：密度：按GB/T 1749进行测试；粘度：按GB/T 2794进行测试；硬度：按GB/T 531.1进行测试；导热系数：按ISO 22007-2进行测试；阻燃等级：按GB/T 2408进行测试；模拟碰撞：按GB/T 31467.3中7.5进行测试；针刺和过充：按GB/T 31485进行测试。

2 结果与讨论

2.1有机硅灌封胶的综合性能测试

根据三元动力电池PACK成组的轻量化和实际结构，其需要灌封胶低密度低粘度；在新能源汽车运行时因颠簸、涉水、碰撞、挤压等给动力电池组件带来外部压力，需要考虑灌封胶的硬度；根据动力电池组工作时自身发热和外界环境温度影响需考虑灌封胶的导热性能；动力电池组电芯在极端情况下热失控引起瞬间爆炸，则需要考虑灌封胶的阻燃性能。选取市场上5种有机硅灌封胶进行密度、粘度、硬度、导热及阻燃性测试，其结果如表1所示。

表1 有机硅灌封胶各性能对比

2.2  有机硅灌封胶对三元动力电池模组温度场的影响

在新能源汽车使用中，动力电池组的热管理主要使用电池管理系统（Battery Management System, BMS）进行调节、保护控制。而锂动力电池的最优工作范围是20～40 ℃[6]，而工作时电池系统内部温度偏差并可能超出这一范围。有数据显示，动力电池组应用测试过程监测到电池单元的温度差在5~8℃范围内波动[7~9]，这将会影响动力电池单元的劣化速度、稳定性及续航能力，也会在一定程度上影响电池组的使用寿命。

实验表明，具有良好导热性的有机硅灌封胶可协助动力电池组充放电过程中电芯的散热，有助于电池单元的热缓冲，起到良好的热平衡作用。将不同厂家的有机硅灌封胶封装含75支电芯的动力电池组进行充放电测试实验，考察动力电池组封装前后的温度变化，反馈出有机硅灌封胶对动力电池组温度场的影响。其中电池组内温感探头分布图如图1所示，测试电池单元中心、次边缘及边缘的温度，具体数据如表2所示。

表2有机硅灌封胶对三元动力电池模组温度场的影响

图1 电池模组充放电温度场分布

从表2可以看出，使用5种有机硅灌封胶封装后的动力电池组相对于未使用有机硅灌封胶封装的电池组LIB-6，在充放电时的温度场的温度变化明显变小，充电时温度场的变化从5-7 ℃降低到1-2 ℃，放电时温度场的变化从4-6 ℃降低到1-2 ℃，其最高温度下降最大8℃，电池组LIB-1、LIB-2、LIB-5充放电时的温度变化在1~2℃范围内，温度变化小且稳定。说明有机硅灌封胶对动力电池组热管理辅助效果良好。

2.3 有机硅灌封胶对三元动力电池模组抗撞击性能的影响

在道路上行驶的汽车发生刮擦、碰撞事故时有发生，而新能源汽车的动力电池组就显得尤为脆弱。未经特殊保护的动力电池组很容易受到外力作用碰撞而挤压失效，甚至发生起火爆炸。通过对5种有机硅灌封胶封装的动力电池组按GB/T 31467.3中7.5要求进行模拟碰撞测试，考察有机硅灌封胶保护的动力电池组的抗撞击性能，结果如表3所示。

表3 封装的动力电池组模拟碰撞测试

注：1）是用“√”表示，否用“×”表示。

由表3可见，未经封装的动力电池组LIB-6在模拟碰撞测试中电芯有挤压变形破裂，起火爆炸并引发连锁反应，引起了周边电芯的燃烧爆炸，所有电芯失效。而新能源汽车在行驶中遇突发情况发生碰撞后，有车身及辅助材料的缓冲，但也时有引发动力电池组的起火燃烧，这将对驾乘人员造成较严重的危害；GF-2#、GF-4#有机硅灌封胶对封装的动力电池组LIB-2和LIB-4起到一定的保护作用，电芯无挤压变形，未起火爆炸，但其电芯部分失效，无电压；GF-1#、GF-3# 和GB4926有机硅灌封胶对动力电池组的防护效果较好，电芯无挤压变形，电压正常，未起火爆炸，周围电芯未受影响。说明经有机硅灌封胶封装的动力电池组的抗撞击性能好，可有助于提高整车的安全性。

2.4有机硅灌封胶对三元动力电池模组针刺的影响

动力电池的安全性是制约其在新能源汽车上使用的关键因素。电池的内部短路是影响动力电池安全的重要原因。在机械滥用试验中经常采用针刺试验来模拟内部短路[10]。有机硅灌封胶封装电池模组，能在电池出现内部短路时，保护相邻电芯的安全，阻止连锁反应。不灌胶的电池模组和用5种灌封胶样品分别对充满电的圆柱形三元动力电池模组进行灌封，标准条件下养护7天后，进行针刺实验。按照GB/T 31485针刺试验要求，选择圆柱形三元动力电池模组，采用3mm钢针以（25±5）mm/s垂直于电池模组方向惯穿电芯，停留60s。观察刺穿电芯爆炸情况，并用万用表测试周边电芯状态，结果如表4所示。

表4灌封胶对三元动力电池模组针刺的影响

图2电芯针刺试验过程

图3 动力电池模组针刺试验后电芯外观

从表4的实验结果可看出，空白组未封装的动力电池模组针刺后周边电芯电压为零电，全部失效；GF-1#和GF-4#样品灌封的电池模组针刺后周边电芯部分失效；GF-2#和GB4926样品封装的动力电池模组针刺后周边电芯电压正常。从图2、3可以看出，空白组针刺第一颗电芯爆炸起火，引起了连锁反应，针刺后电池模组全部烧毁，所有电芯均为零电。经封装的动力电池模组仅被刺电芯爆炸起火，模组所有电芯外观完好，电压正常（4.05V）。说明有机硅灌胶封装的动力电池模组能通过针刺实验，单个电芯出现内部短路或外物刺穿电芯不会引起周边电芯的连锁反应，可更好的保护动力电池模组，并提高电池模组的安全性。

2.5 有机硅灌封胶对三元动力电池模组过充的影响

新能源汽车的动力电池组由成百上千颗电芯串并联组成，而电芯的自爆率为百万分之一。通常的动力电池组均有多重控制、监控系统和动力电池管理系统（BMS）的保护，但因其使用的环境工况复杂性，一旦主控模块失效，动力电池充放电过程中就有热失控风险，同时无法控制其燃烧爆炸，将对汽车和驾乘人员造成严重后果。有机硅灌封胶的阻燃防爆能力直接影响电池模组过充失控后的安全性，需要保证电池模组中的一颗电芯过充爆炸燃烧，不会引起周边电芯的燃烧，使周边电芯得到有效的保护。为考察不同厂家有机硅灌封胶对动力电池模组过充的影响，本实验使用5种有机硅灌封胶样品分别封装含378颗电芯的动力电池模组，在标准条件下养护24h后，按照GB/T 31485过充实验要求，对模组中一颗电芯使用充电仪进行过充爆炸试验，观察对动力电池模组所有电芯外观及测试过充电芯周边电芯状态是否失效，结果如表5和图4所示。

表5灌封胶对三元动力电池模组过充的影响

图4 动力电池模组过充实验

从表5结果来看，GF-1#、GF-2#和GF-3#、GF-4#有机硅灌封胶样品封装的动力电池模组进行单颗电芯过充爆炸试验，其过充电芯爆炸的冲击力和热量快速传递，引起连锁反应，使周边电芯受热辐射影响出现连续的爆炸燃烧，以致整个电池模组无法正常使用，而GB4926样品封装的动力电池模组进行单颗电芯过充爆炸实验，仅过充电芯爆炸，有机硅灌封胶能吸收冲击应力，并有效的阻隔阻燃，切断连锁反应，保护周边电芯不受影响。说明GB4926有机硅灌封胶具有高效的阻燃防爆能力，对动力电池模组出现意外热失控时提升其安全防护能力，给驾乘人员增加逃生时间。

3.结论

新能源汽车动力电池组能量密度不断增加，对其热管理、安全系统提出更高要求，更需要多领域、跨界式的通力协作。有机硅导热材料中的有机硅灌封胶应用在动力电池热管理中有良好的补偿效应，同时可缓解汽车运行时遇撞击、硬物刺穿，动力电池组充放电时内短、过充等不安全问题，进一步提升新能源汽车的整体安全性。实验发现，5种低密度有机硅灌封胶产品能均衡动力电池组内温度，一定程度的提高了动力电池组的稳定性；经封装的动力电池组抗撞击和针刺性能明显提高，而硅宝GB4926有机硅灌封胶能同时实现了动力电池组的针刺试验、过充防爆苛刻要求，提升了新能源汽车的整体安全性。

参考文献：

[1] 中汽协发布2018年8月新能源汽车产销数据. 第一电动网

[2] 中汽协首次发布新能源汽车动力电池动力数据. 中国机械工业联合会机经网

[3] 赵冲. 电动车频繁起火背后的反思与警醒. 高工锂电

[4] 安全事故频发 新能源汽车行业遭遇新挑战. 网易双创

[5] 新能源汽车质量问题频出 行业遭遇新挑战. 第一电动网

[6] 杨国胜. 电动汽车动力电池组热管理系统研究[J]. 科技创新导报, 2015(4):178-180.

[7] 刘振军, 林国发, 秦大同等. 电动汽车锂电池组温度场研究及其结构优化[J]. 汽车工程, 2012, 34(1):80-84.

[8] 仇磊. 动力锂离子电池热分析研究[D]. 重庆交通大学, 2015.

[9] 林国发. 纯电动汽车锂电池组温度场研究及散热结构优化[D]. 重庆大学, 2011.

[10] 刘仕强, 王芳, 樊彬,等. 针刺速度对动力锂离子电池安全性的影响[J]. 汽车安全与节能学报, 2013, 4(1):82-86.

【作者简介】

雷震，成都硅宝科技股份有限公司工程师，主要从事有机硅橡胶产品的开发和应用研究。

涂程，成都硅宝科技股份有限公司研发工程师，主要从事加成型液体硅橡胶产品的研究。

付诺，成都硅宝科技股份有限公司技术员，主要从事室温硫化硅橡胶的开发。

王天强，博士 成都硅宝科技股份有限公司部门经理，主要从事有机硅材料研究。

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编辑：中国电源产业网