应用创新丨电池保温工艺，有效构建新能源汽车隔热及防火屏障

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2024-01-25 / 行业新闻

新能源汽车的发展方向主要是以电池作为主要能量供给的驱动方式，而且在新能源汽车中，电池组件属于新能源汽车的核心组件，其“绝缘、隔热、阻燃、防火”是新能源汽车安全的重要功能。这就意味着对于动力电池在配套安装中的各个环节都提出了更为严苛的要求，以确保并不断提高动力电池的安全性与续航水平。

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其中，如何解决低温续航问题，是新能源汽车能否突破技术壁垒的一大关键，各大新能源车企也在致力于解决锂电池冬天容量变低的问题。

01 新能源汽车的电池保温，影响其续航能力的关键？

现阶段，新能源汽车主要以锂电池作为动力电池，经过多年的发展，锂电池的安全性已经得到显著提高。但是，在低温环境下，锂电池的使用存在容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等问题。冬季低温会出现锂电池中电解液的黏度增大，甚至部分凝固，导致锂电池的导电率下降；电解液与负极、隔膜之间的相容性变差；锂电池负极析出锂严重，并且析出的金属锂与电解液反应，其产物沉积导致固体电解质界面（SEI）厚度增加等问题。

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相关数据显示，在室外零下7摄氏度、车内保持零上22摄氏度的情况下，新能源汽车的平均续航里程会下降39%，一些不具备电池温控系统的辆的续航里程则会下降至60%。

在特斯拉的官网上就有一台续航里程计算器，可以非常清晰地演示温度变化对于电动车续航表现的影响，以销量最好的Model3为例，其常温状态下的续航里程为520公里，但在低温状态下，续航里程只能达到328公里，直接下降36.9%，这一结果要低于所有测试车辆的平均水平。

因此，新能源汽车的续航与外界温度有着非常强的相关性。一般来说，锂离子电池的最佳工作温度为20摄氏度左右。如果电芯的温度受外界降温影响而下降过多，则会导致电芯的正极材料活性降低，电芯内部运动的锂离子数量下降，正负极材料中的带电离子扩散运动能力变差，电能传递速度降低，带电离子运动不顺畅，电池充放性能下降。

低温不仅影响充放电效率，还会因为低温析锂生成锂枝晶，影响电池的循环寿命严重时甚至会导致电池提前报废。在极低温零下30摄氏度与超低温零下20摄氏度情况下的放电曲线都非常陡峭，零下30摄氏度大概只有SoC20-60%可用，零下20摄氏度大概只有SoC15-80%可用，可见其电压变化之大。

由于电池可以通过充放电反应发热，所以电池在非极端低温环境中工作数小时后，可以依靠自身发热维持自身动力。但是，在冷车启动状态下的动力电池，根本无法依靠自身发热抵抗低温环境带来的影响，这种情况下就需要为其设计保温措施。

02 发泡材料密封保温装备，保障锂电池充放电特性

由于锂电池受自身的结构特征及所使用材料性质影响，导致了其容易在极端天气下出现“趴窝”的情况。所以为锂电池寻找更具防火阻燃功能的新材料作为其保护装备是非常必要的。目前常用的锂电池保温隔热材料有保温发泡胶、泡棉、液态发泡硅材料等，这些材料在新能源汽车推广中的表现却呈现出优劣并举的态势。

保温发泡胶

保温发泡胶是一种由高分子材料制成的发泡隔热材料，其内部含有微小的气泡结构。该材料具有低导热系数、优异的隔热性能以及良好的柔韧性，能够在抵抗高温和低温环境的影响，保持电池的稳定工作温度范围，提高电池的循环寿命和性能稳定性。

图：保温发泡胶

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当电池处于高温或低温环境时，保温发泡胶的闭孔结构还能够有效隔离电池内部和外部的热量和电流，提供良好的绝缘保护，减少能量损失和电池故障的风险。不仅如此，保温发泡胶还具有良好的可塑性和黏附性，能够适应各种电池形状和结构，提供全面的保温效果。

但当前保温发泡胶的相关技术研究仍处于初级阶段，未来还需要更多在技术上的突破，才能为电池技术和能源存储领域带来革命性的进展。

泡棉

泡棉在动力电池包中可以提供绝佳的隔热、缓冲、阻燃、密封、支撑、减震等功能，因此泡棉可在电池包的不同区域位置中使用。其中，硅胶发泡材料是以硅橡胶生胶、填充料、硫化促进剂、发泡胶等为原料，混炼均匀后，再经特殊工艺在高压高温下制成的一种多孔、密度低、可压缩的高分子弹性体，分为闭孔型、开孔型和混合型三种。

硅胶发泡的密度在0.3-0.7/cm3之间，其使用寿命长，且耐压、耐酸碱、耐老化、耐紫外线、耐高低温、环保无毒无味，柔韧性好。硅胶发泡是一种高活性吸附材料，不容于任何溶剂，化学性质稳定，介电性能和绝缘性能好。此外，其使用温度范围也很广，可在零下60摄氏度或更低温度以及零上250摄氏度或更高温度下使用。

硅胶泡棉具有较高的缩小还原特点，在电池充放电过程中避免因充电电池Cell的热胀冷缩造成的形变，具备优异的耐用性、较低的缩小性、冲击性消化吸收和阻燃性。同时硅胶还具备在不同温度下，硅胶泡棉性能稳定，商品密封环性能平稳；出色的防水密封性，在商品外出使用时不渗水；长期性缩小损害小，有一定的遏制缩小变形的工作能力；出色的阻燃性能，能有效防止电池工作中因热效应而产生的风险；薄厚和强度可根据不同标准设计，密封环务必于罩壳搭配优良且内应力地，可有效避免密封环境弯折拱起等优异性能，在新能源电芯的缓存隔热保温、外框密封中广泛应用。

湖北祥源新材科技股份有限公司生产的有机硅泡棉是以有机硅树脂为原料结合阻燃体系，通过自脱氧反应提供发泡动力制成，其具有低密度、低压缩永久变形、耐高低温等性能。有机硅泡棉材料既具有硅橡胶的高弹性，又兼具泡沫材料的吸音隔音、减震抗缓冲等特性，适用于轨道交通及新能源汽车行业等的减震缓冲、密封、防火阻燃、隔热保护等对材料性能要求严苛的领域。

图：有机硅泡棉

图源：@模切涂布Family/侵删

圣戈班高功能塑料的电芯间缓冲垫片Norseal®缓冲泡绵PF系列，具有平缓的压缩曲线，在电芯循环膨胀过程中，提供恒定的压缩反弹力，从而在使用生命周期内，延长锂电池的使用寿命。

图：圣戈班电芯间缓冲垫片Norseal®缓冲泡绵PF系列

图源：@圣戈班高功能塑料/侵删

液态发泡硅材料

液态发泡硅材料，是由有机硅发泡而成的硅胶发泡材料，具有优异抗压缩永久变形性能。相较于传统的碳系发泡菜材料，液态发泡硅材料具有优异的耐高低温、高阻燃等特性，目前主要被应用于新能源动力电池PACK包密封、动力电池热管理系统支撑防护、动力电池保温材料、动力电池绝缘缓冲等。

圣戈班应用于电池包上箱盖的圣戈班功能性陶瓷化硅橡胶TRP5000系列，由硅橡胶和陶瓷填料组合制成，该产品具有优异的稳定性，能够适应极端高、低温环境，在高温下会形成瓷化薄膜，有效阻隔热量继续向内传递。即便发生电池自燃，也能有效隔绝燃烧向外扩散，成为电池的防护服。

图：圣戈班功能化硅橡胶TRP5000系列

图源：@圣戈班高功能塑料

03 博兰智：电池包喷涂发泡保温工艺，有效阻止电芯内部短路

电芯作为电池的主要组件之一，是影响电池安全性和使用寿命的重要因素。通过在电芯表面喷涂一层绝缘材料，能够有效阻止电芯内部短路，避免热失控和起火等安全问题，提高电芯的耐久性和稳定性，延长使用寿命。

对此，博兰智涂装设备（上海）有限公司发布了电池包在线喷涂发泡保温工艺。据了解，该双组份聚氨酯在线喷涂是目前最新的电池包保温技术。聚氨酯材料发泡后稳定性高、导热系数低且凝胶时间易控制，将混合后的双组份聚氨酯材料均匀地喷涂于电池包表面，迅速膨胀填充整个工件，随后逐渐固化，在电池包外部形成良好保温性能的保护层，有效降低电池包的能量损耗和温度波动，减少电池包内部温度变化，提高电池整体性能和寿命。同时，在线双组份配比非常适合全自动化生产，被广泛应用于电池包的保温工程中。

图：使用博兰智电池包喷涂发泡保温工艺的前后对比

图源：AEE汽车技术平台

总之，一个好的电池热管理，应该是电池处于任何一种放电状态，无论是外部环境超过零上50摄氏度还是零下30摄氏度，始终都能让其处于合适的工作温度区间，将不同的电芯温差控制在5摄氏度以内。保障动力电池正常运行，电芯一致性良好，系统SOC准确无误，电芯容量、循环寿命、安全性都不会有特别明显的改变。

但是，在新能源汽车中，电池的升降温都是相当耗电的过程。因此，在冬季要花费大量的电力用于新能源汽车的电池保温，即使冬季不运行，新能源汽车还是要自己耗电用于电池保温。就目前对此领域的研究进展来看，如何降低电池在低温下的失电损耗仍旧是新能源汽车亟需突破一大技术壁垒。

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近期，据MRC消息，美国Edge Global Innovation（EGI）开发了一种新工艺，可将聚氨酯发泡材料转化为一种具有优异性能的可模塑弹性体。通过热化学转化工艺节能，不使用溶剂或添加催化剂，所得产品可用于鞋底、垫圈、橡胶垫、橡胶软管、船坞保险杠等多种应用。

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