基于新型材料的新能源電動汽車動力電池導熱膠粘劑創新研究

摘要：在眾多新能源汽車的關鍵構件中，動力電池至關重要，它的性能好壞直接影響電動汽車的行駛表現及乘坐安全。作為維護電池性能的核心介質，動力電池用導熱膠粘劑在電池系統內占據著舉足輕重的地位?；诖耍谛滦筒牧匣A上對新能源電動汽車動力電池導熱膠粘劑的創新進行了探討，介紹了現階段新能源電動汽車動力電池導熱膠粘劑創新的現實條件，指出了傳統導熱膠粘劑的局限性。結合現實情況，提出基于新型材料的新能源電動汽車動力電池導熱膠粘劑的創新方式，并采用典型案例進行論述。

關鍵詞：新型材料；新能源電動汽車；動力電池；導熱膠粘劑；創新研究

中圖分類號：U469.7" 收稿日期：2025-01-06

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503022

1 前言

隨著電子科技領域的飛速發展，集成電路與微型封裝技術的進步促使電子元件和設備不斷朝向精密化與迷你化演變。這一變革帶來了單位體積內熱量的急劇增加，若不能有效散熱，過度的熱量累積會導致元件溫度升高，影響正常運作，極端情況下甚至會引起元件損壞。雖然多數金屬具備較佳的導熱性能，能夠適應一定的散熱要求，但金屬材質的高密度、導電性、耐腐蝕性不足，以及對于不同形狀界面的導熱適應性較差等缺點，限制了它在特定環境下的使用。鑒于此，科研人員將目光轉向了導熱膠粘劑的探索與研制。導熱膠粘劑由于熱導率不高，致使其導熱能力有限，如何增強其導熱效率成為科研界關注的焦點。

目前，提升膠粘劑導熱性能的常見做法是在其中添加一定比例的導熱填料，如鋁、銅、銀等金屬粉末，氧化鋁、氧化鎂等金屬氧化物，以及碳化硅、氮化鋁、氮化硅等非金屬導熱材料。根據電絕緣性能，導熱膠粘劑可分為絕緣型和非絕緣型兩類，廣泛應用于半導體器件的陶瓷基片與銅座粘接、管芯保護、管殼密封，以及整流器、熱敏電阻的導熱絕緣，微封裝中多層電路板的導熱絕緣處理，還有化工領域熱交換器的粘接和導熱密封等方面。

2 新能源電動汽車動力電池導熱膠粘劑創新的現實條件

在過往，傳統動力汽車在動力機構上對粘接劑的使用較為有限。然而，隨著電動汽車的興盛，粘接劑在電池、電機、電控系統中的核心作用使其市場需求激增。由于動力電池、電機及電控系統對材料在強化結構、散熱、封閉、防火以及穩定性等方面提出了嚴苛的標準，粘接劑的重要性正逐漸被主機廠及零部件供應商所認識并高度重視。同時，電動汽車對車身輕量化的追求達到了極致，這要求車輛結構設計作出相應調整，在提升車身強度的同時實現重量的大幅減輕。在這種情況下，采用粘接劑替代傳統的螺栓連接或焊接方法，可以顯著降低車重。

另外，隨著汽車內外飾向集成化和復雜化方向發展，如流行的貫穿式燈具、智能表面、集多功能于一體的熱塑性材料尾門、數字化車頭等創新設計，對材料選擇提出了更高的外觀與功能性要求。傳統的連接方法已難以滿足主機廠對功能性的苛刻需求，粘接劑的應用優勢愈發突出。車體及其內部材質因熱脹冷縮系數不一，采用固定連接手段極易在行車途中引發噪音，其耐用性亦不甚理想。反之，采納膠粘劑之類的彈性連接技術，不但在提升NVH性能上表現突出，且在粘接作業時無需額外消耗能源，較之機械固定法更為契合環保及可持續發展的理念[1]。

3 傳統導熱膠粘劑的局限

在新能源電動汽車的動力電池應用中，常規的導熱型粘接劑已經顯露出其多項短板，這些問題在傳熱效率、耐高溫特性以及材料老化等方面均有顯現，對電動汽車動力電池的表現及其安全穩定性帶來了顯著的不良后果。特別是在傳熱效率上，常見的有機粘接劑主要由高分子化合物構成，其固有的熱傳導率不高，導致熱傳導效果不理想。盡管加入特定的導熱顆粒能夠部分緩解這個問題，但總體上傳熱效率的提高并不顯著，遠遠不能滿足對散熱性能越來越高的要求。例如，在電池運作期間，電池芯會釋放出大量的熱能，而傳統的導熱粘接劑很可能不能迅速有效地傳導這些熱能，導致熱量在電池模塊內聚集，從而對電池的正常運作造成不利影響。

在耐溫性能方面，不少常規導熱型粘接劑在較高溫度條件下的可靠性存在問題。電動汽車在持續高速行駛、快速充電或暴露于高溫條件下，其電池組的內部溫度會大幅上升。這時候，某些常規粘接劑由于不能承受高溫，可能會出現性能衰退甚至完全失效的問題。具體來說，這些粘接劑在高溫影響下可能會變軟、扭曲，從而破壞其粘接效果，這將對電池模組的完整性與穩固性造成負面影響，并且還會阻礙熱量的有效傳遞和散發。

在使用周期方面，常規的膠粘劑隨著時間的推移易發生退化。在光照射、溫度變化、濕度、氧氣、臭氧、水分以及機械負荷的共同影響下，膠黏劑的粘接力會逐步削弱。特別是在新能源電動車領域，車輛在行駛過程中所承受的振動以及環境溫度和濕度的波動，都會加速膠粘劑的退化速度。膠粘劑一旦退化，其粘結力度就會減弱，這會使得電池電芯等關鍵部件的聯接變得不穩定，同時還有可能影響其熱傳導性能，進而降低電池的散熱效率，提高了電池過熱、性能下降甚至發生火災、爆炸等重大安全事故的可能性[2]。

4 基于新型材料的電池導熱膠粘劑創新

41 氮化鋁、氮化硼的創新研究

由于具有優異的導熱性能、良好的電氣絕緣特性和優異的化學惰性，氮化鋁散熱粉是散熱介質中較為理想的一種。這種材料的熱傳導率很高，能夠很快地將熱量傳遞出去，這一點極為重要，可以保證動力電池在運行的時候能夠將熱量高效的散發出去。此外，其絕緣特性在防止導電引起短路等危險的電池復雜電路環境下使用時，確保了安全。氮化鋁具有類似于多種半導體材料的熱膨脹系數，可以幫助在各種工況下降低熱應力、增強材料間的熱兼容性，使之與電池溫度波動相適應。在化學穩定性方面，氮化鋁散熱粉具有抗腐蝕性，增強散熱膠粘劑的持久性，幫助改善其使用壽命，在電池內部復雜的化學反應和多種外界環境下，都能保持性能不變，從而保證動力電池在長時間內穩定工作。

氮化硼擁有眾多顯著特性，作為陶瓷材料的一種，其熱傳導能力居同類材料之首，其結構與石墨相似，且具備卓越的本征導熱性能及出色的熱穩定性和化學穩定性。此外，它還具備較低的介電參數和較高的電阻率，使之成為生產高絕熱導熱聚合物的首選填充物，完美滿足新能源電動汽車動力電池對導熱膠粘劑高效散熱和絕緣的雙重要求。同時，氮化硼在高溫條件下仍能維持其性能不變，這對于電動汽車在高溫駕駛或是快速充電過程中電池溫度的升高至關重要，它能確保導熱膠粘劑在高溫環境下依然能夠有效地傳遞熱量，防止電池過熱而導致性能下降或安全隱患[3]。

42 填料粒徑、形狀、分布等因素的優化

在填料粒度上，粒度較細，可使樹脂基材中填料的比表面積提高，有助于填料與基材接觸更緊密，從而促進熱能的傳遞效率。利用獨特的加工工藝，將氮化鋁的粒度縮小到納米級別，從而幫助熱傳導網絡密集、不間斷地在粘合劑基質中形成，使熱量傳輸速度加快。但過分減小的粒度可能會加劇填料的重聚現象，因此為了達到分散性和導熱效果的最佳平衡，需要確定一個合適的粒度范圍。

在構型方面，各種形態的填充材料在構成基體導熱網絡方面表現出不同的效能。理論上，層狀結構的氮化硼在堆積過程中能夠構建出最高效的導熱路徑，層與層之間的接觸面為熱傳導提供了優越的通道，因此其熱導率較為突出。然而，層狀填充材料在混合時，顆粒接觸面積的增加會導致混合物粘度的上升，同時也會顯著降低最終制得的導熱膠粘劑的彈性，這對實際使用是不利的。相較之下，球狀氮化鋁和氮化硼等填料對混合物的稠化作用較輕微，隨著填充量的增加，基體的熱導率能得到顯著增強，而且在加工處理上更為方便。因此，目前有部分研究傾向于采用球狀填料或球形產品，以改善導熱膠粘劑的整體性能[4]。

填料的分散均勻性是決定熱傳導效率的核心要素之一。只有填充物均勻地分布在基材中，防止產生熱阻集中的區域，才能構成穩定有效的導熱路徑。采用高效混合、超聲波分散等物理手段，輔以合適的分散劑或偶聯劑處理填料表面的創新混合技術，使膠粘劑中氮化鋁、氮化硼等材料的分散質量得到大幅度優化，達到均勻分散于基材中的目的，進而使膠粘劑的熱傳導能力得到顯著增強。比如含有氮化硼填料的導熱粘合劑，經過分散工藝的改進，其導熱傳導系數可以提高30%左右。這種經過優化的粘合劑被應用在動力電池熱管理的模擬實驗中，可以使電池產生的熱量更快地傳遞到散熱系統，使電池組內部溫度分布更均勻，有效防止局部過熱，保證電池運行在溫度最優的環境中，從而保證電池性能穩定，使用安全。

43 新材料的應用效果

在新能源電動汽車的動力電池熱管理實踐中，通過引入氮化硼與氮化鋁的復合填料對導熱膠粘劑進行改良的電池模塊，其散熱性能顯著提高。以一款具體的電動汽車作為測試對象，在夏季高溫連續駕駛以及快速充電的模式下，那些未采用這種新型導熱填料膠粘劑的電池模塊，其內部溫度急劇上升，常常超出電芯的最佳工作溫度范圍（如高達60 ℃以上），這不僅使電池的充放電效率顯著降低，而且續航能力也受到嚴重影響，同時長時間的高溫運行還大幅提升了電池發生火災或爆炸的風險。

采用新型導熱材料的同型號電池模塊，依賴氮化鋁和氮化硼構成的高效能導熱結構，有效地將電池核心產生的余熱迅速分散，確保電池組內部溫度恒定在理想范圍（如35 ℃上下），從而使電池性能保持穩定，車輛在高溫條件下的續航里程衰減率相比之前減少了40%。此外，這種新型材料大幅降低了電池過熱導致的安全隱患，確保了電動汽車在各種復雜環境中的運行可靠性，顯著展示了新型導熱材料在增強動力電池導熱膠粘劑性能和電池熱管理效能上的重要作用。

5 現實案例

以特斯拉的Model 3為例，其動電池結構如圖1所示，其運行情況如圖2所示。該車早期使用的動力電池粘接劑在長時間運行中出現了不少弊端。這種粘接劑的熱傳導性能并不理想，在車輛高速行駛、反復加減速度或是高溫條件下的快速充電過程中，電池核心產生的熱量難以迅速且有效地傳遞散出。比如在炎熱的夏季進行快速充電時，電池組的內部溫度會迅速升高，有時甚至接近50 ℃，這遠超過了電池芯的最佳工作溫度范圍（20～40 ℃），進而影響電池的充放電效率，使車輛的行駛里程大幅縮短。同時，若電池長期暴露在這樣的高溫條件下，也會大幅提升電池起火或爆炸的安全隱患[5]。

隨后，特斯拉應對先前的問題推出采用先進材質的改良型導熱膠粘劑。在電池的熱傳遞控制方面融合了氮化硼、氮化鋁等新型高導熱填充物。新型材料以其卓越的熱傳導性能、適宜的粒度、形態以及分布的均勻性，在膠粘劑中形成了一個高效的熱傳導體系。根據溫度監控數據表明，在高溫快速充電的條件下，使用了這種新型膠粘劑的電池組內部溫度可以穩定在約35℃，有效防止了熱量的集中，確保電池內部熱量的迅速且均勻的散發，可以使電池在最佳的工作溫度區間內運行。

新型粘接材料在耐熱性方面表現出卓越的特性，即便是在連續高溫駕駛或反復快速充電的情境下，它也能保持其物理與化學性質的穩定性，避免了因材料軟化或形變而導致的導熱效率降低和結構安全問題。比如，在多輪的高溫充放電周期試驗之后，電池模塊的溫度變化依舊保持在較低水平，而電芯間的溫度差也嚴格控制在1～2 ℃之間，這有力地保障了電池性能的持續穩定。

在全面提升性能方面，最新研發的導熱型粘接劑，不僅顯著提升了電池的熱量散發能力，同時也進一步加強了電池模組的結構牢固性。與之前未使用新型粘接劑的狀況相比，應用了這種粘接劑的電池使用壽命得到了顯著的增加。在模擬整車使用壽命的充放電測試中，電池容量衰減率顯著降低，車輛在多種駕駛條件下的續航能力更加穩定，有效避免了由于電池過熱等因素引起的動力性能降低，極大地優化了用戶的使用感受，同時也為該品牌的新能源汽車在激烈的市場競爭中增添了更多的優勢[6]。

6 結語

新能源汽車的能源存儲技術正經歷飛速變革，諸如固態電芯這類創新電池技術正逐步邁向市場應用階段。這一過程中，對新型熱傳導膠粘劑的需求也日益凸顯，它們必須能夠匹配新技術的獨特需求，包括高效的熱管理功能與結構固定性能，以充分發揮新型電池的潛能。展望未來，依托于先進材料打造的新能源汽車電池用熱傳導膠粘劑，將在材料性質、功能表現以及使用范圍等方面的持續革新與發展，預計將為新能源汽車行業及其相關的能源領域帶來高質量的增長動力，并在推進環保出行、可持續能源應用等重大目標中發揮更加核心的作用。

參考文獻：

[1]高馳推動膠粘劑技術革新，西卡為汽車行業提供全面的解決方案[J]汽車與配件，2024（19）：66-67

[2]張毅翔，喬淑平，趙傳軍，等動力電池包裝配式密封條的設計概況[J]橡膠工業，2024，71（5）：394-399

[3]高馳全新一體化基地開業，杜邦膠粘劑業務落下關鍵一子[J]汽車與配件，2023（21）：74-75

[4]鄧娟，高燕，梁彬，等國內動力電池用雙組分聚氨酯結構膠研究進展[J]中國膠粘劑，2023，32（1）：60-65

[5]馮朝波，婁星原，黎燦光室溫固化雙組份環氧導熱結構膠性能研究[J]廣東化工，2022，49（22）：54-56

[6]陳存友，李巍，顧唯開，等可拆卸雙組分聚氨酯膠粘劑的研制[J]化學與粘合，2022，44（4）：362-364

作者簡介：

方國強，男，1971年生，工程師，研究方向為化學工程。

周安安（通訊作者），男，1973年生，教授/總經理，研究方向為材料科學與工程。