新能源汽車電池包防火涂料應用研究

欄目：行業新聞發布時間：2022-07-22

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汽車行業是國家的支柱產業，中國汽車行業年產銷量已連續多年雄踞全球第一，同時汽車也是石油消耗和溫室氣體排放的主要因素。

汽車行業是國家的支柱產業，中國汽車行業年產銷量已連續多年雄踞全球第一，同時汽車也是石油消耗和溫室氣體排放的主要因素。基于能源安全和溫室氣體減排目標的要求，國家不斷出臺鼓勵新能源汽車的發展政策，傳統車企的新能源車型及新能源整車企業如雨后春筍般浮現。2019 年，中國國內共銷售了 120. 6 萬輛新能源汽車，其中純電動汽車 97. 2 萬輛，插電式混動23. 2 萬輛(汽車信息網發布中汽協數據)，連續五年成為世界新能源汽車產銷量第一大國。

新能源汽車數量增長的同時，其相應的新的安全問題也日漸突出。2019 年 1-8 月，國內至少發生 20 起新能源汽車起火事件，其中絕大部分事故是由動力蓄電池故障引發。因此，當電池包發生故障時，如何提升電池包的防火安全性能，進而保證新能源車乘客安全，變成首要的安全問題。

1. 電池包用防火材料

電池包內的熱失控會導致其內部發生短路，從而引起電池正負極材料發生劇烈化學反應，導致電芯溫度急劇上升、壓力過大、外殼破裂、整車自燃起火甚至爆炸等事故。電動汽車中的動力電池自燃具有燃燒速度快、熱值高、差異大和撲救困難等特點，目前動力電池已經采取了很多的安全措施。如，通過電池結構設計，提高殼體材料防火性能，改善電池散熱系統，提升電芯材料防火性能等，從而提升電池包的防火能力，降低發生火災或爆炸的風險。

目前各新能源汽車電池包的防火材料以鋪設防火氈材料為主，如，云母板、超細玻璃棉、高硅氧棉氈等。當電池發生熱失控后，依靠防火氈材料可以有效隔絕熱量擴散和控制火勢走向，有效延緩電池熱擴散時間，從而提高電池包防火安全性。圖 1 為某新能源汽車使用的防火氈材料，防火涂料貼敷在電池盒上蓋外表面，以減緩電池盒熱擴散時對乘員艙的熱量傳遞。

圖 1 某新能源汽車電池盒隔熱氈

雖然隔熱氈可以有效隔絕熱量擴散和控制火勢走向、延緩電池熱擴散時間，但增加防火氈方案也存在質量增加、散熱性能差、設計施工過程中有一些局限性等問題，因此為了提高防火性能，使防火材料施工更柔性，本文基于新能源車防護需求研究了新能源汽車用防火涂料及其施工，并做了一定的驗證和總結。

1. 1 防火涂料的選擇

防火涂料的原理即隔離：防火涂料一般為難燃性或不燃性物質，當熱量聚集時可以防止被保護基材直接接觸空氣、火源，從而起到防火作用。受尺寸限制及空間要求，汽車電池包在車身上安裝后與車身貼合較為緊密、空間較小，且為了滿足小型化、輕量化的要求，其尺寸和電池盒模組及電路系統都非常緊湊，這導致電池包的防火涂層的膜厚為 3~7 mm，為有限的電池包提供零部件裝配空間。

由于新能源汽車用防火涂料屬于新的需求，大部分供應商還沒有成熟的產品，目前主要是改進建筑用防火涂料，然后在車用電池包上進行驗證并優化。本研究從供應商提供的防火涂料中，選取了以下幾種防火涂料，如表 1 所示。

從表 1 可以看出，供應商提供的防火涂料大部分為膨脹型耐火機理，無溶劑和水性占大多數，大部分需要加熱固化以保證其耐火性能，多為雙組分。

其中膨脹型防火涂料主要包括成膜物質、碳源、酸源、發泡劑、填料等，其主要成膜物質為丙烯酸樹脂、環氧樹脂或氟聚合物等。在加熱時涂層中熱能被轉化，防火涂層能迅速膨脹十幾倍至幾十倍并吸收周圍熱量，從而有效阻止高溫侵入其保護的基材，并以此達到防火目的。

水性或無溶劑涂料可以避免揮發性有機物 VOC 的排放，便于廠內施工。雙組分及加熱固化材料可以降低材料的烘烤時間，從而提高生產速度、降低成本。

綜合以上各種因素，最終選定了 B、C、F 這 3 種涂料進行性能驗證及廠內施工驗證。

1. 2 防火涂料性能研究

根據汽車電池包內外空間要求，暫定的電池盒防火涂料施工厚度為0. 8~ 1. 5 mm，并基于選中的 B、 C、F 這 3 種防火涂料，選擇噴涂在電池包上蓋內部和外部 2 種施工方案。為了解防火涂料施工在電池包上后，其性能是否能滿足整車性能要求，結合涂料性能和整車廠內相關材料工藝性能，在行業暫無實驗標準的情況下，參考了密封膠及涂料涂層的實驗方法，制定了涂層性能實驗方法及指標，如表2 所示。

百格法附著力測試結果如圖2 所示

圖 2 百格法附著力測試結果

從圖 2 可以看出，涂層 B、F 均可以滿足附著力0 級要求，而涂層 C 由于過脆導致涂層全部碎裂脫落，可見涂層 C 若使用在整車上，在比較苛刻的條件下，可能存在碎裂脫落風險。

在做密封膠附著力實驗時，需要將涂層做成如圖 3 所示的形狀，實驗過程中發現防火涂層均較硬，以現有的設備無法用刀片進行模擬密封膠的附著力測試，因此，對于現有的防火涂料來說，該項性能不太適用。

圖 3 密封膠附著力實驗圖片

測試剪切性能時，將涂料及試板做成如圖 4 所示，然后拉動左右側試板以檢測涂層的抗剪切性能，經檢測涂層的剪切力均符合表2 的性能指標要求。

圖 4 剪切強度實驗板

涂層冷彎曲測試結果如圖5 所示

圖 5 冷彎曲實驗狀態

抗石擊實驗測試結果如圖6 所示

圖 6 抗石擊實驗狀態

由圖 6 實驗結果可以看出這 3 種涂料均能滿足實驗要求。

1. 3 防火涂料施工工藝驗證

傳統建筑用防火涂料，施工和使用條件比較簡單，而汽車用防火涂料施工條件則明顯復雜，因為整車的流水線生產要求防火涂料能夠連續混合供料、施工；而防火涂料也會隨著整車行駛到任何環境中，因此對其性能要求也較高。熱固化防火涂料在施工時，施工的設備主要采用雙組分供料泵，可以通過控制面板控制供料比例、溫度等，如，固瑞克(GRACO ) XM 系列等，圖7、圖 8 為典型的防火涂料施工工藝和施工布局圖。