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鄒小姐：13326633089 -
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節(jié)能減排的口號喊了那么多年，電動汽車總算是普及到了大江南北，隨處都可以看見綠牌車的身影。
但縱使電動汽車擁有百般好處，現(xiàn)階段燃油車的數(shù)量還是遠(yuǎn)多于電動車，對于那些還未更換電動汽車的普通群眾來說，除了電動車的安全性外，他們最擔(dān)憂的就是電動汽車的充能不夠便捷和快速，在一定程度上會影響到日常出行。
比如說冬天就常常被稱為是電動車主的“噩夢”，不僅耗電多，而且充電還慢，各個車主的朋友圈此時也是金句頻出：
“電動車空調(diào)不加熱了，我在車?yán)飵狭擞鸾q服帽子，外加手套，甚至還蓋上了小毛毯?！?/span>
“電動爹不是蓋的，充滿電先掉100公里續(xù)航！這天氣開空調(diào)吧，擔(dān)心車開不到公司，不開空調(diào)又擔(dān)心人到不了公司。”
“不敢跑高速，生怕續(xù)航挺不??；不敢開暖風(fēng)，就怕續(xù)航掉的猛?！?/span>
那熬過了冬天是不是就好了呢？事實(shí)告訴你，你還是太天真了！到了夏天，氣溫攀高，尤其在全球變暖的大趨勢下，許多地區(qū)夏天的最高溫可達(dá)38℃以上。在這樣的高溫環(huán)境下，電動車需要避免充電，以免導(dǎo)致電池出現(xiàn)過熱的情況，破壞電池和減少充電器的壽命。
“溫度高導(dǎo)致充電受限”的情況還出現(xiàn)在了萬眾期待的“快速充電”中。上面提到了溫度過高容易導(dǎo)致電池過熱，曾有機(jī)構(gòu)做過這方面的研究，他們使用不同倍率對26Ah/3.7V的三元鋰電芯進(jìn)行充電，然后記錄下電芯表面的升溫幅度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1倍充電功率(1C)下電芯的溫度只上升到26℃；但是當(dāng)充電功率升高到3倍(3C)時，電芯的結(jié)溫一下就飆到了58℃，幾乎觸及了動力電池安全溫度的上限。顯然，如果沒有辦法解決高溫這個問題，快速充電終究只是一個遙不可及的夢。
動力電池“充電功率vs結(jié)溫”的關(guān)系
那要如何解決溫度過高的問題呢？最直接的解決途徑就是散熱！目前汽車動力鋰離子電池組液冷散熱部分由液冷管和導(dǎo)熱膠粘劑組成。液冷管包括內(nèi)部的冷卻液，主要完成鋰離子電池組工作出現(xiàn)熱量的散熱，導(dǎo)熱膠粘劑主要完成電芯與液冷管之間的熱傳導(dǎo)，膠的具體使用形式包括墊片、灌封、填充等。
導(dǎo)熱膠的優(yōu)勢如下：
①廣泛適用性：隨著電子器件設(shè)計(jì)復(fù)雜度的提高，相較于傳統(tǒng)眾多的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱膠可以更好填充元器件不規(guī)則的間隙及克服零件的公差。
②適合大規(guī)模自動生產(chǎn)：導(dǎo)熱膠可以配合自動化設(shè)備進(jìn)行快速施膠，適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域自動化生產(chǎn)工藝的需求。
③長效可靠性：導(dǎo)熱膠在眾多的測試以及實(shí)際應(yīng)用的過程中表現(xiàn)優(yōu)異，如熱穩(wěn)定性，耐熱沖擊，電氣絕緣性及振動老化等測試。
導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱機(jī)制
導(dǎo)熱膠主要由樹脂基體（環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅和聚氨酯等）和導(dǎo)熱填料組成。其導(dǎo)熱原理為：固體內(nèi)部導(dǎo)熱載體主要為電子、聲子。金屬內(nèi)部存在著大量的自由電子，通過電子間的相互碰撞可傳遞熱量；無機(jī)非金屬晶體通過排列整齊的晶粒熱振動導(dǎo)熱，通常用聲子的概念來描述；大多數(shù)聚合物是飽和體系，無自由電子存在。因此，在膠粘劑中加入高導(dǎo)熱填料是提高其導(dǎo)熱性能的主要方法——導(dǎo)熱填料分散于樹脂基體中，彼此間相互接觸，形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，使熱量可沿著“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)”迅速傳遞，從而達(dá)到提高膠粘劑熱導(dǎo)率的目的。
填料對導(dǎo)熱膠性能的影響
導(dǎo)熱膠的熱導(dǎo)率主要取決于樹脂基體、導(dǎo)熱填料及兩者形成的界面。而導(dǎo)熱填料的種類、用量、粒徑、幾何形狀，混雜填充及表面改性等因素均會對膠粘劑的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響。
①導(dǎo)熱填料的種類和用量
目前常用的導(dǎo)熱填料有金屬材料（Fe、Mg、Al、Cu、Ag）、碳基材料（碳納米管、石墨烯、石墨）、氧化物（Al2O3、ZnO、BeO、SiO2）、氮化物（AlN、BN、Si3N4）。其中氧化硅、氧化鋁具有優(yōu)良的電絕緣性能，而且價格低廉，得到了廣泛使用。氮化物絕緣材料中氮化硅、氮化硼由于熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，成為人們研究的熱點(diǎn)，但價格較昂貴。
填料用量也會對膠粘劑熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。當(dāng)填料較少時，填料被基體樹脂完全包裹，絕大多數(shù)填料粒子之間未能直接接觸，此時基體成為填料粒子之間的熱流障礙，抑制了填料聲子的傳遞。隨著填料用量的增加，填料在基體中逐漸形成穩(wěn)定的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，此時熱導(dǎo)率迅速增加，并且填充高熱導(dǎo)率填料更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。然而，填料的熱導(dǎo)率過大也不利于體系熱導(dǎo)率的提高。研究表明：當(dāng)填料與基體樹脂的熱導(dǎo)率之比超過100時，復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高并不顯著。
②導(dǎo)熱填料的粒徑和幾何形狀
當(dāng)填料用量相同時，納米粒子比微米粒子更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。納米粒子的量子效應(yīng)使晶界數(shù)目增加，從而使比熱容增大且共價鍵變成金屬鍵，導(dǎo)熱由分子（或晶格）振動變?yōu)樽杂呻娮觽鳠?，故納米粒子的熱導(dǎo)率相對更高；同時，納米粒子的粒徑小、數(shù)量多，致使其比表面積較大，在基體中易形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，故有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。
對微米粒子而言，填料用量相同時。更大粒徑的導(dǎo)熱填料比表面積較小，不易被膠粘劑包裹，故彼此連接的概率較大（更易形成有效的導(dǎo)熱通路），有利于膠粘劑熱導(dǎo)率的提高，如20和2 μm的Al2O3填充體系相比，前者熱導(dǎo)率更高。
③導(dǎo)熱填料的混雜填充
與單一粒徑的填料填充體系相比，不同粒徑大小、同種填料的混雜填充更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。同種填料不同形態(tài)的混雜填充比單一球形填料填充更易獲得高熱導(dǎo)率的膠粘劑。不同種類的填料在適當(dāng)配比時，混雜填充亦優(yōu)于單一種類填料填充。這歸因于上述混雜填充均較易形成緊密堆積結(jié)構(gòu)，而且混雜填充時高長徑比粒子易在球形顆粒間起到架橋作用，從而減小了接觸熱阻，進(jìn)而使體系具有相對更高的熱導(dǎo)率。
④導(dǎo)熱填料的表面改性
無機(jī)粒子和樹脂基體界面間存在極性差異，致使兩者相容性較差，故填料在樹脂基體中易聚集成團(tuán)。另外，無機(jī)粒子較大的表面張力使其表面較難被樹脂基體所潤濕，相界面間存在空隙及缺陷，從而增大了界面熱阻。因此，對無機(jī)填料粒子表面進(jìn)行修飾，可改善其分散性、減少界面缺陷、增強(qiáng)界面粘接強(qiáng)度、抑制聲子在界面處的散射和增大聲子的傳播自由程，從而有利于提高體系的熱導(dǎo)率。
基體對導(dǎo)熱膠性能的影響
導(dǎo)熱膠的基體主要分為：環(huán)氧樹脂灌、有機(jī)硅橡膠、聚氨酯灌封膠，三者各有長短：
①環(huán)氧樹脂
優(yōu)點(diǎn)：對材質(zhì)的粘接力較好以及較好的絕緣性，固化物耐酸堿性能好，具有較好的透光性，價格相對便宜；
缺點(diǎn)：抗冷熱變化能力弱，受到冷熱沖擊后容易產(chǎn)生裂縫，防潮能力差；固化后膠體硬度較高且較脆，無法打開，因此產(chǎn)品為“終身”產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)元器件的更換；光照或高溫條件下易產(chǎn)生黃變。
②有機(jī)硅橡膠
優(yōu)點(diǎn)：材質(zhì)較軟，能夠消除大多數(shù)的機(jī)械應(yīng)力并起到減震保護(hù)效果。物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具備較好的耐高低溫性、優(yōu)異的耐候性、電氣性能和絕緣能力；具有返修能力。
缺點(diǎn)：粘結(jié)性能稍差。
③聚氨酯
優(yōu)點(diǎn)：具有較為優(yōu)異的耐低溫性能，材質(zhì)稍軟，對一般灌封材質(zhì)均具備較好的粘結(jié)性；具備較好的防水防潮、絕緣性。
缺點(diǎn)：耐高溫能力差且容易起泡，必須采用真空脫泡；固化后膠體表面不平滑且韌性較差，抗老化能力、抗震和紫外線都很弱、膠體容易變色。
綜合來看，有機(jī)硅由于具備諸多優(yōu)異性能，因此成為敏感電路和電子器件灌封保護(hù)的較佳灌封材料，不過它的成本也是三者之中最高的。然而動力電池在利潤率上比電子通訊等行業(yè)低很多，而且單臺電池包里導(dǎo)熱膠的使用量又特別大，因此新能源很難像其他行業(yè)一樣“財(cái)大氣粗”揮揮手就上最好的材料，只能想盡辦法在性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，降低的導(dǎo)熱材料成本，最終反而是成本最低的聚氨酯導(dǎo)熱膠受到了歡迎。
為了提高聚氨酯導(dǎo)熱膠的熱導(dǎo)率，近年來不少廠家也在不斷地改進(jìn)其性能，比如說杜邦今年推出的聚氨酯體系的導(dǎo)熱填縫膠產(chǎn)品的導(dǎo)熱率就上升了不少，突破了常規(guī)聚氨酯體系導(dǎo)熱膠的2.0W/m.K瓶頸，一舉拿下3.0W/m.K的導(dǎo)熱率，可以說現(xiàn)在電動車離快速充電又近了一步。
2021CIBF電池展上發(fā)布的BETATECH?
（雪球.com/dupont）
結(jié)語
到底“快速充電”什么時候可以實(shí)現(xiàn)？電動汽車什么時候能被更多消費(fèi)者接受？雖然導(dǎo)熱膠只是動力電池散熱系統(tǒng)中的一個小配角，但小配角往往也能起到大作用，讓我們繼續(xù)期待導(dǎo)熱膠未來還將有什么突破吧！
資料來源：
鋰離子動力電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)與模擬研究，陶歡。
電動汽車的“超級快充”，與導(dǎo)熱材料的“不可能三角”，王凱。
粉體圈 NANA整理
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