新能源電動汽車動力電池高端導熱膠粘劑的研發與性能評估

摘要：在動力電池的運行環節中，電池電芯會釋放出一定的熱量。鑒于電芯的理想工作溫度區間較為有限（一般在20～40 ℃之間），若不能迅速且有效地將熱量排出，就有可能引起電池過熱失控，產生電池冒煙、自燃甚至爆炸等嚴重的安全隱患，嚴重影響電池的性能指標及其使用壽命。先進的高導熱膠粘劑可以促進電芯之間以及電芯與散熱系統如液冷管之間的熱量傳遞效率，保證電池在合適的溫度范圍內運作，實現均勻散熱并減少電芯間的溫度差，這對于完善電池的熱管理機制、增強電池安全性能和綜合性能具有極其重要的作用。

關鍵詞：新能源電動汽車；動力電池；高端導熱膠粘劑；研發；性能評估

中圖分類號：U469.7" " " 收稿日期：2024-01-06" " " DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.020

Research and Performance Evaluation of High end Thermal

Conductive Adhesive for Power Batteries of New Energy

Electric Vehicles

Fang Guoqiang Zhou Anan Zhou Xiaojun Ni Xu Yan Xiaolei

1.Zhejiang Huisheng Investment Group Co.，Ltd.，Quzhou 324000，China

2.Zhejiang Chuangji Silicone Materia Co.，Ltd.，Quzhou 324000，China

Abstract：During the operation of power batteries， the battery cells release a certain amount of heat. Given that the ideal operating temperature range of battery cells is relatively limited （generally between 20℃ and 40℃ ， if heat cannot be quickly and effectively dissipated， it may cause the battery to overheat and lose control， leading to serious safety hazards such as smoking， spontaneous combustion， and even explosion. This will also seriously affect the performance indicators and service life of the battery. Advanced high thermal conductivity adhesives can promote heat transfer efficiency between battery cells and between battery cells and cooling systems such as liquid cooling pipes， ensuring that the battery operates within a suitable temperature range， achieving uniform heat dissipation and reducing temperature differences between battery cells. This plays an extremely important role in improving the thermal management mechanism of batteries， enhancing battery safety performance， and overall performance.

Key words：New energy electric vehicles;Power battery;High end thermal conductive adhesive;Research and development;Performance evaluation

1 前言

隨著科技進步的日新月異，電子元件及其裝置正朝著更小型化、高頻化、高集成度方向迅速演進。在設計與生產過程中，功能性結構的矛盾和工藝難題往往與散熱要求背道而馳，導致電子設備產生的熱量更為巨大且集中。若不能迅速排出這些熱量，便會形成熱量的積聚。在微觀層面，過熱可導致材料形變和裂隙;在宏觀層面，則可能導致系統故障，對電子元件或設備造成損害，甚至威脅用戶安全。根據美國國防部發布的設備可靠性報告，當設備溫度超過75 ℃時，設備的失效因子將呈現指數式上升，具體如圖1所示。此時，導熱膠粘劑（TCA）的應用便能有效地解決這一難題。

2 高端導熱膠粘劑的研發要點

2.1 導熱膠的組成成分及特性

導熱膠的核心構成分為樹脂基質與熱傳導填充物兩大類別，這些組分的挑選及其相互作用對于粘合劑的傳熱性能至關重要，直接關系到其在電池溫控管理中的適用性。此外，這些組分的不同配比同樣會對粘合劑的各類性能表現產生顯著影響。在導熱膠的基材選擇上，常用的基材有環氧類、硅酮類以及聚氨酯類等。環氧類基材因其出色的粘合力、抗化學品侵蝕能力以及機械屬性而廣泛應用于電池領域，能夠確保導熱膠緊密固定在電池的核心部件上，確保整體結構的穩固性[1]。

在熱傳導填充材料的選擇上，常見的有氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）、氮化硅（Si3N4）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鎂（MgO）和氧化鋅（ZnO）等類型。氮化鋁以其優良的熱導率而著稱，能顯著提高粘合劑的導熱能力。氮化硼同樣擁有出色的熱傳導性能，并且還具備優秀的電絕緣特性和化學惰性，在高溫條件下表現穩定，但價格同樣較高。

2.2 新能源電動汽車動力電池高端導熱膠粘劑研發的技術挑戰

在當前情境下，導熱功能填料對于導熱膠粘劑的作用極為關鍵，業界的研發重點通常聚焦于導熱粒子的創新、改良以及混合搭配等層面。這類填料可以分類為碳質、金屬及陶瓷三大類，其導熱性能指標在表1中有詳盡的描述。恰當挑選導熱功能填料進行混合，能夠有效提升導熱膠粘劑的導熱效率。碳質填料主要涵蓋碳納米管、石墨、石墨烯以及碳纖維，它們以卓越的熱導率、較高的比表面積和輕盈的重量獲得青睞。尤其是碳納米管（CNTS），憑借其卓越的機械與物理屬性，吸引了眾多研究者的目光，其導熱能力極強，單壁碳納米管（SWCNTS）的熱導率可達到6 000 W/（m·K），而多壁碳納米管（MWCNTS）則為3 000 W/（m·K），且具備超高的長徑比（大于1 000）[2]。

3 新能源電動汽車動力電池高端導熱膠粘劑的性能評估

3.1 導熱性能評估

熱傳導效率是評估高級別熱粘接劑性能的核心要素之一，精確測量其熱傳導效率顯得尤為重要。通過對熱傳導效率的測量，可以直接掌握該粘接劑的熱傳遞性能，從而判斷其是否符合新能源車用動力電池的熱控制要求。現階段，廣泛采用的熱傳導效率測量技術主要分為穩態測量法和瞬態測量法兩大類[3]。

在穩態傳熱技術中，熱流法依據一維穩態熱傳導的基本理論，實施過程中將待測物置于兩個熱流感應器之間，待溫度梯度穩定后，通過對物體厚度的測量、上下板間的溫差以及物體傳導的熱量進行記錄，進而計算出導熱系數的具體數值，此法特別適用于導熱性能較低的材料。護熱平板法的原理與熱流法近似，通過特定的實驗裝置實現試樣的一維垂直熱流，在試樣內部形成穩定的溫度梯度后，通過檢測不同模塊的溫度和熱能輸出以確定導熱系數。

而在瞬態熱分析技術中，激光閃射法通過激光器在設定溫度條件下發射短時光脈沖，使樣品表面快速吸收光能并升溫，表面作為熱源點將熱量一維傳導至冷端，利用紅外探測器捕捉表面溫度的變動，從而計算出熱擴散系數，結合其他參數求得材料的熱導率，這種方法常用于高導熱性界面材料和小型固體材料的測試。平面熱源法則是將具有自加熱功能的測溫探頭置于樣品之中，施加穩定的加熱功率使其升溫，記錄探頭及其周邊特定距離處圓球面溫度隨時間的變化情況，利用數學模型進行擬合分析，以此同時獲取樣品的導熱系數和熱擴散系數，該技術適用范圍廣泛，測試種類多，準確度高。

3.2 粘接性能評估

膠接接頭的堅固度直接影響了粘合劑連接不同組件的結實度。在動力電池的使用背景下，比如電池芯與pack外殼的結合，必須確保接頭的強度足夠強大，這樣才能在車輛行駛遭遇振動、加減速度以及環境溫度的變換等多樣化條件下，維持電池芯與外殼的緊密結合，避免脫膠等問題的發生，確保電池結構的穩固性[4]。

另外，膠接的破壞模式也是評估的重要指標，其中以凝聚力破壞為最優情況。凝聚力破壞指的是膠粘劑在外力作用下于膠體本身內部發生斷裂，而不是在粘合劑與被粘物的接觸面斷裂，這表明粘合劑實現了接頭材料的最大強度，充分發揮了其粘接力，保證了連接部位的力學性能可靠性。

膠體的延展斷裂性能是關鍵指標，它充分展現了膠質材料的彈性行為。在動力電池的應用中，面對溫度波動和充放電循環導致的體積微小變動，適當延展性的膠粘劑能夠依賴其彈性變形來緩解這些影響，防止應力集中造成的粘接失敗，確保電池組件連接的持久穩固。

3.3 阻燃性評估

在新能源電動汽車的電池系統中，高端導熱膠粘劑的阻燃性能至關重要。在電池運作過程中可能遭遇極端溫度或短路等非常規狀況，此時膠粘劑的阻燃特性直接影響著電池系統的安全穩定性。目前，評價阻燃性的主要標準包括UL94標準和《汽車禁用物質要求》（GB/T30512—2014）。以UL94-V0等級為例，這一高標準的阻燃要求意味著導熱膠粘劑在接觸明火時可以迅速自行熄滅，有效防止火勢擴散，從而防止電池組全面燃燒或爆炸等危險情況的發生。例如，金菱通達公司生產的一些高性能導熱膠粘劑，其阻燃等級符合UL94-V0標準，能夠在離開火源后立即熄滅，為電池的安全使用提供了有力保障。

在確保電池使用安全性的層面上，一旦電池內部某個單節電池發生熱失控并出現火焰，此時，如果所使用的膠粘劑具有優異的阻燃特性，就如同建立了一道阻止火勢蔓延的防線，它能夠有效隔絕火源，避免火勢蔓延至鄰近的電池單元和其他組件，從而為電池的保護系統啟動贏得寶貴時間，防止事故進一步擴大。無論是車輛在行駛過程中還是充電時，阻燃性能較為突出材料都能大幅減少由電池引發的火災風險，保障車內乘員的生命安全以及車輛周邊環境的安全[5]。

3.4 耐老化性評估

對于高端導熱粘接劑，其抗老化特性同樣不容忽視，這主要是考慮到新能源汽車使用的動力電池需在多變的使用環境中長期工作，承受著溫度和濕度的周期性變化及惡劣條件的考驗。在評定其耐老化性能時，一般會模擬實際環境對材料進行加速老化試驗，記錄其性能指標的變化。例如，將試樣置于125 ℃的恒溫箱中保持1 000 h，此時要檢測其導熱性和絕緣性能的下降是否控制在10%以內；或者把試樣放置于85 ℃、濕度為85%的恒溫恒濕箱中持續1 000 h，監測其性能指標的變化；另外，還會執行快速溫度變化的測試，將導熱膠樣本置于快速溫變箱中進行，按照例如冷熱沖擊（-55～125 ℃，500個周期）的循環測試標準，檢查導熱膠的導熱和絕緣性能是否還在規定的允許變化范圍內。

優異的抗老化特性確保了膠粘劑在長期服役期間，能夠持續保持其粘合和散熱等功能不受影響。一旦抗老化能力不足，隨著時間的推移，膠粘劑可能會出現粘接力減弱、散熱性能退化等現象，這將對電池內部電芯的互連以及電芯與外殼的連接穩定性造成影響，干擾電池熱管理系統的正常工作，引起電池性能的降低，進而減少電池的使用壽命，這對于新能源電動汽車的長期穩定運行是不利的[6]。

4 結語

高端導熱膠粘劑具有增強電池效能、確保使用安全、延長使用壽命及促進車身減重等優勢，為新能源汽車的發展提供了強勁助力。它在新能源汽車行業的持續發展進程中扮演著至關重要的角色，成為推動該產業穩健增長的核心助力因素之一。

參考文獻：

[1]饒勇剛，趙新偉，陳亮.航空燈具產品導熱膠粘劑研究現狀[J].中國膠粘劑，2023，32（3）：58-63.

[2]許永倫，龐云嵩，任琳琳，等.高性能導熱膠粘劑熱界面材料：機理、現狀與趨勢[J].中國膠粘劑，2023，32（1）：44-54.

[3]丁冉.快結晶型水性聚氨酯的制備及其在導熱膠粘劑上的應用[D].合肥：安徽大學，2021.

[4]孫思薇.氧化石墨烯/AlN復合高導熱環氧膠粘劑的開發[Z].陜西紡織器材研究所有限責任公司，2021-04-01.

[5]喬韻豪.橡膠金屬熱硫化膠粘劑及其應用研究[D].太原：中北大學，2020.

[6]李成東.淺談導熱高分子材料的研究與應用[J].科技風，2020（5）：179．

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。