據(jù)為全球汽車行業(yè)服務(wù)的網(wǎng)站W(wǎng)ardsAuto.com報道，2022 年 3 月全球交付的汽車中，近四分之一是電動汽車。盡管存在疫情影響、面臨供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)、缺乏充足的充電基礎(chǔ)設(shè)施以及消費者不愿意接受混合動力和蓄電池電動汽車等不利因素，汽車電動化的步伐仍在加快。上述消費者的態(tài)度是由于較高的標價、對行駛里程的擔(dān)憂以及充電方面的問題。盡管如此，電動汽車在全球新乘用車銷量中的占比從 2019 年的 2.5%增長到 2022 年第一季度的近 25%，這確實是一個了不起的成就。
高電壓電動汽車電池系統(tǒng)的箱體需要平衡一些復(fù)雜的要求。首先，它們必須提供長期的力學(xué)性能，包括扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度等，以便在電池組壽命期間承載沉重的電池，同時保護電池免受腐蝕、石子撞擊、灰塵和濕氣侵入以及電解液泄漏的影響。在某些情況下，電池箱體還需能夠防止靜電放電和來自附近系統(tǒng)的電磁干擾/射頻干擾。
其次，在發(fā)生碰撞時，箱體必須保護電池系統(tǒng)，防止撞碎、刺穿或因水/濕氣進入而引起短路。第三，電動汽車電池系統(tǒng)必須有助于在各種天氣下充電/放電期間將各單格電池保持在理想的熱運行范圍內(nèi)。在發(fā)生火災(zāi)時，它們還必須盡可能長時間地保持電池組不接觸火焰，同時保護車輛乘員免受電池組內(nèi)部熱失控產(chǎn)生的熱量和火焰的影響。此外，還存在重量對行駛里程的影響、電池堆疊公差對安裝空間的影響、制造成本、可維護性和使用期滿的回收等諸多挑戰(zhàn)。以下是幾家材料供應(yīng)商如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的概況。
作為多種樹脂和添加劑的長期供應(yīng)商，美國英力士復(fù)合材料公司（INEOS Composites US LLC）的材料自2011年起就用于北美洲混合動力汽車和電動汽車的SMC（片狀模塑料）蓄電池箱蓋中，并在中國市場中供多個平臺的蓄電池箱蓋使用。
英力士復(fù)合材料運輸市場業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Dan Dowdall解釋說 ：“原始設(shè)備制造商正在為電動汽車蓄電池箱快速開發(fā)更精細的性能和材料規(guī)范，其中大多數(shù)涉及阻燃要求或碰撞保護。”“為了應(yīng)對這些不斷變化的要求，我們最近推出了一種新的高性能、低成本的樹脂體系A(chǔ)rotran 2502，專為SMC蓄電池箱體而設(shè)計。該樹脂具有高強度和高耐熱性。其在復(fù)合過程中的優(yōu)異浸透性和流動性使其更容易獲得更高的玻璃纖維或碳纖維加入量以達到優(yōu)異強度和剛度，更高的礦物填料加入量以降低成本或提高阻燃性能，或更高的玻璃微珠加入量以減輕制件重量。此外，由它制成的SMC流動性良好，可填充復(fù)雜的制件輪廓，從而實現(xiàn)更好的零件集成，使電池組的體積效率更高。”
該公司報告說，使用新材料的SMC在 2.0mm的厚度下通過了UL 94 5VA測試，而一些基于不飽和聚酯和乙烯基酯的SMC配方在該厚度下失敗，并且這種新SMC在其他火焰試驗中也表現(xiàn)良好。在熱重分析（TGA）測試中，Arotran 2502 樹脂比傳統(tǒng)的不飽和聚酯和乙烯基酯樹脂能更好地抵抗熱降解。即使在要求苛刻的UL箱熱失控試驗中，用Arotran 2502 制造的SMC也顯示出非常好的結(jié)果。據(jù)說正在進行的工作重點是改善加工、成本、性能和可持續(xù)性。
Dowdall補充說 ：“對于電動汽車蓄電池箱體，一個重要的研發(fā)目標是用于特制預(yù)制體的樹脂，以獲得更高的力學(xué)性能。我們還積極與技術(shù)合作伙伴合作，研發(fā)防電磁干擾/射頻干擾薄氈和氈，以滿足箱體不斷發(fā)展的電子屏蔽要求。”
美國佳斯邁威公司（Johns Manville）生產(chǎn)絕熱材料、屋面材料和工程產(chǎn)品，包括用于各種復(fù)合材料的玻璃纖維無捻粗紗。去年秋天，該公司用陰離子聚合己內(nèi)酰胺制造品名為Neomera的聚酰胺 6（PA6）基有機片材。最初的有機片材產(chǎn)品是用玻璃纖維機織物和無屈曲織物增強，但據(jù)說其他類型的織物甚至較長的短切纖維（玻璃纖維或碳纖維或兩者兼用）也在開發(fā)之中，并即將推出。
用己內(nèi)酰胺單體而不用完全聚合的PA6 聚合物浸漬增強材料的好處是粘度低得多，因此有機片材具有優(yōu)異的纖維浸透性和更高的纖維體積分數(shù)。這使復(fù)合材料制件獲得更高的剛度、強度和抗沖擊性。據(jù)報道，由于玻璃纖維/PA6 復(fù)合材料的韌性，該材料被用于多種汽車用途，包括蓄電
據(jù)介紹，佳斯邁威一直在與德國Forward工程公司的美國辦事處合作。Forward工程公司是一家全球性運輸設(shè)計和工程咨詢公司，在設(shè)計和檢測蓄電池箱體方面具有專長。它對佳斯邁威的全熱塑性復(fù)合材料箱體設(shè)計進行了全面的機械和碰撞模擬。
Forward工程公司北美區(qū)總經(jīng)理Adam Halsband說 ：“在過去四年中，我們看到對我們的高電壓蓄電池箱體開發(fā)的需求急劇增加。” “早期我們的工作重點是復(fù)合材料密集結(jié)構(gòu)的設(shè)計和模擬，目標是獲得最高的碰撞性能和減重效果，而最近我們的重點已擴展到熱失控性能、電磁兼容性的管控以及單格電池和電池組的環(huán)境保護。”
德國朗盛公司（Lanxess AG）生產(chǎn)多種形式的熱塑性復(fù)合材料 ：短纖維增強熱塑性塑料粒料、織物或單向玻璃纖維或碳纖維增強有機片材。去年年底朗盛宣布與汽車行業(yè)供應(yīng)商Kautex Textron 公司合作，探索使用熱塑性復(fù)合材料替代大型電動汽車蓄電池箱體上的鋼和鋁。這兩家公司不僅研制了全熱塑性復(fù)合材料電池箱體技術(shù)示范品，而且將預(yù)測性能與近批量生產(chǎn)部件的測量結(jié)果進行比較，驗證了該技術(shù)。
合作目標是展示一種中型轎車之1400 x 1400mm電池箱體用的復(fù)合材料在減少質(zhì)量、降低成本、集成功能和電氣絕緣方面的優(yōu)勢。該系統(tǒng)包括與防撞結(jié)構(gòu)和車底護板相連的蓄電池底盤和蓄電池蓋子。部件由Durethan B24CHM2.0品牌長玻璃纖維直接增強PA6（D-LFT）壓塑而成，這種一步法工藝非常適合快速生產(chǎn)大型部件，成本具有競爭力。底盤的防撞結(jié)構(gòu)采用Tepex dynalite品牌連續(xù)玻璃纖維增強PA6局部增強，以滿足此用途非常高的結(jié)構(gòu)要求。據(jù)報道，此箱體已通過ECE R.100外部
全熱塑性復(fù)合材料蓄電池底盤和蓋子（來源 : Kautex Textron）
合作項目的結(jié)果表明 ：與Kautex生產(chǎn)的商用鋁箱體相比，熱塑性復(fù)合材料箱體減少了達 15%的質(zhì)量、20%的成本和 45%的二氧化碳足跡，同時提供了結(jié)構(gòu)性能、整體熱管理和便于組裝的嵌塑硬件。
日本三菱化學(xué)集團公司（Mitsubishi Chemical Group Corp.， MCG）擁有多種復(fù)合材料技術(shù)，尤以碳纖維技術(shù)聞名。在熱塑性材料方面，該公司提供的材料包括 ：可注塑的短玻璃纖維增強聚丙烯（PP）和超短碳纖維增強工程樹脂、用玻璃纖維或玄武巖纖維增強PP、PA6 或PA6/6 的可壓塑GMT/有機片材、采用新型干浸漬技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維增強熱塑性塑料等。在熱固性材料方面，該公司生產(chǎn)碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維和混合纖維單向帶、機織物、預(yù)浸料以及碳纖維SMC（CF-SMC）和開纖CF-SMC。
該公司的許多材料用于全球電動汽車的復(fù)合材料蓄電池箱，包括其GMT（玻纖氈增強熱塑性塑料片材）和GMTex材料，這些材料已用于日本和歐洲的電動汽車。
研發(fā)能夠承受熱失控條件的材料是該公司的一個重點。相關(guān)人士說 ：“在熱失控情況下，電池箱蓋占據(jù)中心位置，因為它是保護乘客的關(guān)鍵。”“電池箱必須保持很高的結(jié)構(gòu)性能，以抵抗沖擊載荷并防止電池損壞，以防熱失控。如果發(fā)生熱失控，電池箱蓋必須能夠耐受高溫（通常超過 800 ℃）以及電池損壞產(chǎn)生的顆粒和動能。我們不僅充分表征現(xiàn)有材料，而且還在開發(fā)新的多功能材料，以抵御熱失控，例如用于蓄電池箱的新型阻燃熱塑性復(fù)合材料，可耐受 1000 ℃火焰 5 min以上。”
SABIC的特種材料事業(yè)部報告稱，其改性聚苯撐醚（MPPE）用于混合動力汽車的電池箱蓋已有一段時間。為了滿足蓄電池電動汽車的更高要求，該集團在其Noryl和LNP特種配混料中開發(fā)了幾種新材料，例如 ：LNP Konduit，具有無鹵阻燃性加上低介電常數(shù)/介電損耗因數(shù)，用于單格電池座框和蓋子，以利射頻信號透過 ；LNP-Faradex配混料，使用金屬纖維，以滿足電磁干擾屏蔽要求 ；以及LNPStat-Kon配混料，用于雷達吸收。
而據(jù)SABIC的石化產(chǎn)品業(yè)務(wù)部介紹，其材料也用于許多混合動力汽車和蓄電池電動汽車的蓄電池箱。該公司提供了高阻燃的短玻璃纖維增強聚丙烯（PP）材料，該材料于去年年底亮相，用在日本本田汽車公司供給中國市場的混合動力汽車的電池箱蓋上，據(jù)稱這是行業(yè)最大的電池箱蓋之一。將無鹵的PP配混料調(diào)制成在遇到火焰時能形成膨脹結(jié)焦層，這種結(jié)焦行為導(dǎo)致自熄性，使其成為第一個通過中國嚴格的GB 18384-2020 阻燃規(guī)范的蓋子。與需要隔熱層的金屬箱體相比，注射成型的熱塑性材料蓋子減少了 40%的重量，有助于延長汽車行駛里程。功能的集成簡化了組裝工序并降低了成本。此外，該制品可以在使用期滿時完全回收，并具有較小的CO2足跡。
1.6×1.4m 電池箱蓋的頂側(cè)（上）和底側(cè)（下），用短玻纖增強 PP 制成（來源：SABIC）
SABIC高 級 業(yè) 務(wù) 經(jīng) 理Dhanendra Nagwanshi解 釋說：“隨著在電動汽車蓄電池設(shè)計上的合作增多，我們看到材料組合正在發(fā)生變化。”“我們認為阻燃熱塑性材料可能會在材料組合中占據(jù)更大的份額，因為它們可以提供巨大的優(yōu)勢，包括固有的絕熱和電絕緣性能、膨脹特性、輕重量和零件集成性，這有助于降低成本。此外，它們是可回收、可重復(fù)使用的，并且它們降低了環(huán)境影響——這不僅因為減輕了重量，而且還因為降低了溫室氣體排放量約10%~15%。熱塑性材料在電動汽車蓄電池領(lǐng)域的前景光明。
比利時索爾維公司（Solvay SA）擁有全球制造足跡，生產(chǎn)樹脂和聚合物、結(jié)構(gòu)膠粘劑和表面產(chǎn)品、熱固性和熱塑性復(fù)合材料、碳纖維、復(fù)合材料模具和輔助材料。十多年來，該公司一直為蓄電池箱提供阻燃預(yù)浸料—玻璃纖維或碳纖維與環(huán)氧樹脂制成的預(yù)浸料。
索爾維最近與英國一家汽車設(shè)計和工程咨詢公司Ricardo Plc合作，進行一個虛擬設(shè)計和模擬項目。在該項目中，對用阻燃復(fù)合材料制造的蓄電池箱蓋和底盤進行了基準試驗。兩者的主要結(jié)構(gòu)可采用環(huán)氧樹脂或聚苯硫醚（PPS）為基體，用高單位面積質(zhì)量的玻璃布增強，并用單向碳纖維帶局部增強。該團隊不僅想展示復(fù)合材料的輕量化優(yōu)勢，還意在解決在乘用車中封裝大型蓄電池時的體積效率問題。
索爾維報告說，在進行此設(shè)計項目的同時，它還一直致力于電動汽車電池系統(tǒng)的材料表征研究，該研究被描述為熱固性和熱塑性化學(xué)之間的不可知論。該公司正在評估阻燃的高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）熱固性樹脂（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來酰亞胺）和熱塑性塑料（聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮），采用各種結(jié)構(gòu)的玻璃纖維和/或碳纖維增強，以查看哪些組合最適用于不同車輛類別以及先進空中交通（AAM）飛機上的特定電池組件。這些材料正在經(jīng)受高結(jié)構(gòu)載荷、破碎、側(cè)面沖擊、侵入、模態(tài)剛度、阻燃性、熱失控、熱擴散等試驗。
今年早些時候，美國西湖化學(xué)公司收購了美國Hexion 公司的環(huán)氧樹脂業(yè)務(wù)，更名為西湖環(huán)氧公司（Westlake Epoxy）。它是全球領(lǐng)先的特種涂料和復(fù)合材料生產(chǎn)商。其環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂在北美和歐洲的多個商用電動汽車廠商中用來制造復(fù)合材料蓄電池箱蓋、底盤及其他相關(guān)用途，自 2023 年起，該公司將有 5 個以上的大產(chǎn)量項目。
該公司的新型超低甲醛Eponol 06921 酚醛樹脂，配上Epikure 06931 和 06941 催化劑，能夠在多種制造工藝中高速生產(chǎn)阻燃復(fù)合材料。因其防熱性能，這種樹脂正被用來制造電動汽車蓄電池箱體部件。此 外，該 公 司 的Epokote 06710/Epikure 06170環(huán)氧樹脂體系也正通過LCM（復(fù)合材料液體模塑成型）工藝制造大規(guī)格的電動汽車蓄電池底盤。
如上圖顯示，西湖環(huán)氧公司的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在 1200 ℃下進行火焰燃燒試驗。試驗在 8 分鐘 36 秒后停止，沒有把材料燒穿。
該 公 司 的 北 美 汽 車 業(yè) 務(wù) 發(fā) 展 經(jīng) 理Stephen Greydanus總結(jié)道 ：“作為一家樹脂供應(yīng)商，西湖環(huán)氧公司已配制了最新一代酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂體系，它們可用于SMC、LCM、HP-RTM、拉擠成型和其他制造工藝，以覆蓋蓄電池箱中熱固性復(fù)合材料的許多用途。”
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：電動汽車中復(fù)合材料蓄電池箱的材料選擇
