特种涂料在改善电动汽车电池和电池组组装方面能发挥什么作用?AMS与PPG资深科学家Calum Munro讨论了面临的挑战

PPG电池组装

提高效率需要高热导率材料,以加速卡路里的转移

电动汽车的电池技术已经成熟,但随着这些汽车进入大众市场,电池系统在续航里程和充电速度方面的需求越来越大,安全性、性能和效率方面的挑战也随之出现。涂料专家PPG近日宣布了一系列解决方案,他们声称,这些解决方案将利用现有的电池组技术解决一系列技术和环境问题,并简化组装领域。PPG的资深科学家Calum Munro讨论了oem和分层供应商面临的一些最紧迫的挑战。

Munro概述了该公司在电池和包装组装方面的做法:“我们在整个行业看到了许多不同的挑战,有些事情是预料之中的,也有一些意外出现。我们(PPG)专注于八个主要领域,以帮助解决最关键的问题。有一些是在单元级别,但大多数是在包组装级别。

Calum Munro PPG资深科学家

Calum Munro PPG资深科学家

巴鲁姆兰,PPG高级科学家

新材料能改善电极性能吗?

CELE的开发旨在提高电极和阴极粘合剂系统的性能,Munro解释说:“我们开发了一个NMP免费阴极粘合剂系统,使我们能够解决与使用相关的一些环境健康和安全问题选择的传统溶剂。除了解决这些问题外,我们还能够提高电极的整体性能,从而提高电池的性能“。

“真的,这些电极只是具有高稳定性的非常专用的涂层。它们在金属箔上是真实的着色涂层。所以,它与我们的专业知识很好。“

PPG正在研究的另一种材料是石墨烯。近年来,石墨烯在电池中的应用研究和开发取得了进展,据报道,在电池电极中使用这种材料可以提高电导率和性能,同时减少对其他材料(如碳)的使用。Munro指出,PPG正在与客户进行具体的项目,但没有透露任何细节:“我们能够将一些石墨烯系统投入使用,真正补充锂离子电池中使用的一些较新的新兴材料。”

“我们认识到,世界上没有两组相同的挑战,也没有两组相同的挑战。需求和偏好将会因OEM和个别车辆的设计而有所不同。”

Calum Munro,PPG

电池组结构还必须满足许多具有挑战性的技术要求,也许最基本的是耐腐蚀和冲击。这是现在普遍与一些较新的滑板设计包被集成到车辆的地板结构。门罗指出:“在这些设计中,电池组的外壳经常暴露在车辆下面。因此,你可以看到,目前金属仍然是电池组整体外壳的首选材料,传统的挑战,如腐蚀和冲击发挥作用。”

PPG电池组件2

PPG正与多家电池制造商和原始设备制造商密切合作

EMI和RFI屏蔽是另一个需要考虑的问题。他说:“当很多电子元件相互靠近时,通常这些元件之间会产生串扰。我们看到,随着新汽车设计的推出,这一点变得越来越重要。因此,屏蔽成为一个真正的挑战。”他指出,PPG一直致力于简化屏蔽材料的应用,该公司提供喷涂涂料。他补充说:“它们可以应用于广泛的衬底。它们非常薄,所以如果在整个设计周期的后期发现屏蔽问题,它们不需要改变材料或整体设计。此外,我们还可以调整这些屏蔽材料,使其覆盖特定频率或提供更高水平的屏蔽。”

我们现在面对的是一个发展非常迅速的领域,作为一个行业,我们在不断学习。

在电池组件中,有许多组件必须以某种方式相互连接,这取决于电池的设计;有一系列不同的方法。在某些情况下,机械固定装置仍在使用,但Munro表示,有一种趋势是粘接:“在一个模块内,电池之间可以粘接,根据单元内部的设计,最多可以粘接20个模块。

“有很多不同的材料可以用螺栓连接在一起,因为它们不一定有利于焊接。但使用结构粘合剂意味着这一过程可以很容易地自动化,允许随着产量的增加而扩大生产规模。”

电动汽车电池组装的最大挑战是什么?

Munro强调了三个关键领域,代表了电池包组装的新挑战:介电隔离、防火和导热。“就介电隔离而言,目前许多封装设计都在400至600伏特范围内运行,这是一个高电压系统,要求单个组件不仅彼此隔离,而且与任何人类交互隔离。”

“此外,该行业正在寻求增加电压(最多可以超过1000伏),因为这可以为电池运行的方式提供许多好处,例如更快的充电,改进动力传动系统并实际提供更多经济高效的电池系统。所以电气分离是关键的,我们识别的是最好用涂层材料完成“。

电动汽车起火事件虽然数量不多,但已被广泛报道,而且与火灾和电池组系统相关的一些独特挑战。Munro指出,已经有一些解决方案可以帮助解决两种新型的防火方案:“最初,行业要确保电池不受外部火源的影响。这已经看到了使用更传统的标准,已开发,以确保良好的性能与汽油或柴油油箱内的车辆。

“我们能够引入一些石墨烯系统,真正补充锂离子电池中使用的一些较新的新兴材料。”

Calum Munro,PPG

“但是真正出现的是一个挑战,并且在一些标准和方法方面非常仍然在助焊剂中,是发起电池系统内的火灾。If the fault occurs within the battery, whether it’s due to some kind of projectile that punctures one of the cells or something that causes a short within the battery, you’ve got a lot of energy stored within these batteries, so as that energy is released by some fault or accident, the battery will start to heat up very rapidly, and that can induce thermal runaway.”

“这导致了一个细胞到另一个细胞的级联事件,当一个细胞被加热,然后开始灾难性地失效时,它会产生更多的热量和内部火。”然后加热周围的细胞并将其排出体外。”

Munro观察到,虽然预计这不会经常发生,但确实需要内部防火解决方案。“你理想的做法是将其最小化到一个或两个单元,保持在一个模块内。但最终,你要确保背包本身不会破裂,也不会破坏飞行器的舱室。”

为了应对这一挑战,该行业一直在朝着创建更高能量密度的系统、尽可能小的体积和使用新材料的方向发展。他说:“展望未来,如果这里发生什么事情,我们将有更多的精力来处理,这将改变火灾的性质。”他补充说:“一些较老的、能量较低的材料可以在可控的温度下燃烧,所以可以用标准的(预防)材料来控制。”

如果使用这些新型电池材料,火灾的温度可以达到1000摄氏度以上。这已经见证了电池包的防火测试范围高达2000°C。“如果我们考虑保护组件不破裂,那么处理这些温度就变得非常重要。如果你有一个铝结构,如果温度超过650°C,它就会融化,除非有一些保护。这就打破了包,让更多的氧气进入火堆。当温度上升到1300 - 1400摄氏度以上时,你就会开始看到同样的效果,”门罗评论道。PPG能够利用他们在涂层方面的经验,这些涂层被设计用来保护金属结构免受高温火灾的影响。Munro表示:“我们正积极与一系列oem和电池制造商合作,为系统提供一种有助于提供更高水平防火保护的元素。”

保持电池性能

锂离子电池有一个狭窄的最佳热操作窗口,在15-35°C之间,因此热导率是电池制造商的另一个重要考虑因素,考虑到汽车可以在温度为-40°C到+55°C的气候和季节中运行,保持电池组有效运转是一个相当大的挑战。Munro评论说:“热挑战可能是最值得关注的领域之一。”虽然最新的锂离子电池非常高效,但效率的任何轻微下降,即使低于1%,都会转化为使用过程中产生的热量。门罗解释说:“所以,当你快速充电时,你就会看到,放电时也会看到。虽然通常情况下你放电的速度没有那么快但你仍然会在持续使用中产生热量"

现在大多数的电池组设计都采用了热管理系统,其特点是电子元件监测电池内部的温度,以及一些允许热量交换的物理元件。在后者的情况下,这些通常采取冷却板或热交换器的形式,并被带到接近电池。门罗指出,重要的是要确保将热量有效地从电池传递到那些冷却系统中,而这正是一些导热材料被工业利用的地方。“(汽车)行业借鉴了电子行业的解决方案,它们以热垫解决方案的形式出现。这些是垫状材料,具有合理的导热性,你把它夹在你想要传递热量的两个物体之间。

“但你真正想要做的是填补显微镜空气隙。空气是可怕的热导体。所以,如果你有任何一种气隙,即使它在微观尺度上,它也会产生负面影响,你可以在热表面和冷表面之间移动热量,以便能够保持理想的情况“。

在热管理领域,PPG提供他们的Coratherm热间隙填充材料,这是一种提供导热功能的液体点胶材料,可以通过自动化系统应用。

面对快速发展的科技

PPG正与多家电池制造商和oem密切合作,Munro提供了一些关于电池生产如何在整个行业中发展的见解:“我们在整个行业看到了许多不同的模式,但我要说的是,整车厂将(在电池生产方面)承担更多责任的总体趋势是,但它们的做法各不相同。”

“随着我在细胞层面谈论的一些解决方案,我们与主要的细胞制造商密切合作,使这些解决方案承担。但我们也与OEM密切合作,因为他们仍然想要了解并指定他们订购的细胞内发生的事情“。

“此外,(汽车)行业尚未达到(电动汽车动力系统)的标准化设计。因此,尽管有一些共性是合理的,但汽车制造商希望在传动系统和驾驶性能方面有所不同,如果整个行业有一个完整的设计解决方案,我会感到惊讶。”

“所以,我们认识到,不存在两套相同的方案,也不存在两套相同的挑战。需求和偏好将会因OEM和个别车辆的设计而有所不同。我们现在面对的是一个发展非常迅速的领域,作为一个行业,我们在不断学习。”