替代“蓝膜”的动力电池绝缘涂层新方案-UV绝缘涂层

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替代“蓝膜”的动力电池绝缘涂层新方案-UV绝缘涂层

为了保证电气安全，一直以来动力电池的电芯都需要PET“蓝膜”来包敷，但是随着工作电压和能量密度的大幅提升，这种绝缘

      为了保证电气安全，一直以来动力电池的电芯都需要PET“蓝膜”来包敷，但是随着工作电压和能量密度的大幅提升，这种绝缘方案开始掉队。近一段时间，以BMW为首的多家新能源巨头开始转向一种全新的UV绝缘涂层方案，这有望引发动力电池绝缘方案的新一轮升级！
2023年初，BMW发布了一条新闻稿，官宣自家首条电芯喷涂产线正式投入使用。此举意味着这家欧洲新能源大厂在动力电池的绝缘方案上已经全面转向了新型UV绝缘涂层材料。而目前在动力电池行业应用最为普遍的电芯“蓝膜”方案，或将由此被逐步取代！
  其实所谓“蓝膜”，就是一种PET基材背上PSA压敏胶制成的单面胶带，因为此类产品以深蓝色居多，所以就被人们简称为“蓝膜”。由于这种薄膜不光绝缘性能好，而且化学抗性和拉伸强度都不错，因此一直以来都是动力电池电气绝缘和物理防护应用上最主流的方案。只不过“蓝膜”在BMW这里显然并不受待见，这次他们之所以上马电芯喷涂产线，意图就是要将“蓝膜”用一种新型的丙烯酸体系UV绝缘涂层方案来替换掉。而这种新型UV绝缘涂层，是BMW和德国涂料厂商Lankwitzer在传统的UV漆基础上针对动力电池的绝缘应用耗时数年合作开发出来的新材料。由于这种新型UV涂层在介电强度、化学抗性和机械强度上都做到了向“蓝膜”看齐，而且作为UV光固化材料其生产效率也不输“蓝膜”太多，因此就在BMW的新闻稿发布的同时，包括CATL、大众、沃尔沃等新能源行业巨头们也都传出了即将跟进这种全新绝缘方案的消息！那么问题就来了,"蓝膜”在电芯的绝缘应用已经发展多年，无论工艺还是供应链都已经相当成熟；而全新的UV绝缘涂层方案不仅需要购置产线设备还要经历产能爬坡，究竟是什么原因驱动BMW如此大费周章地“搞事情”呢？虽然这个问题涉及很多层面，但最为关键的一个因素就是“蓝膜”的粘接性能太弱了！我们知道，无论是特斯拉的CTB还是宁德时代的CTP，这些赚足眼球的设计都是为了追求更高的轻量化和集成度。基于这个目的，厂商们在组装电芯的时候还会舍弃传统的金属框架和紧固件，取而代之将结构胶直接涂在“蓝膜”上，然后将众多电芯“粘”成一个整体。
  不过如此一来新的问题就产生了—— 一方面“蓝膜”的PSA背胶粘接性能比较有限，基本就处在0.5～2Mpa的水平；另一方面“蓝膜”的PET基材属于低表面能材料，这就让结构胶在其上产生的粘接强度也只能达到2.0~3.5MPa的中低水平。在这样的情况之下，当电池组受到外力冲击，一种可能是结构胶发生界面破坏从“蓝膜”上脱落；而更大的可能则是“蓝膜”的PSA背胶发生内聚破坏直接让“蓝膜”从电芯外壳上脱落剥离！这个问题在过去虽然也引起过人们的注意，但是早些年绝大多数车型的电压平台都没超过400V，因此这种相对较低的电压就让短路击穿之类的电气风险处在一个比较可控的范围。但是随着这两年新能源车市场的井喷，各大厂商们开始疯狂堆料“卷”配置——为了进一步提升续航里程和充电速度，自2022年以来市场上涌现出一大批800V高电压平台的新车型！如此大幅的电压提升让电芯之间产生电弧或绝缘击穿的概率大大增加，同时电池系统电压的一致性也面临更大挑战！如果依然沿用“蓝膜”无异于给动力电池的安全埋下了一颗定时炸弹！正是在这样的大背景之下，BMW才不惜血本升级了电芯的绝缘方案，将原来的PET“蓝膜”替换成了全新的UV绝缘涂层！
  那么作为一种全新的材料方案，UV绝缘涂层的电气性能和可靠性究竟如何，是否真如BMW计划的那样顺利替代“蓝膜”呢？针对这个疑问，材料大厂Parker Lord公司以自家的丙烯酸UV绝缘涂层材料Sipiol UV为研究对象，专门发表了一份《电池系统组件的绝缘防护技术白皮书》进行了探讨，从中我们可以对这种UV绝缘涂层方案建立起一个大致的认知。这份《白皮书》不仅对“蓝膜”和UV绝缘涂层进行了对比，同时还将另外两种常见的涂层材料——粉末涂料和溶剂型涂料也纳入了研究范围。然后从工艺性、粘接性能、绝缘性能、边缘覆盖性等层面对比了四种方案的短板与优势。由于UV绝缘涂层是一种基于传统的UV漆开发出来的材料，因此其设备与工艺具有较高的通用性。 Parker Lord《白皮书》中涉及的样件就是采用了较为常见的HVLP重力式喷枪进行的喷涂。喷涂结束后就是关键的UV光固化环节。在UV光源的选择上，无论是在BMW的产线还是在《白皮书》中都出现了配备H型灯管的Heraeus F300微波无极UV灯。根据《白皮书》中的记录，当UVA设定为光强1900mW/c㎡、光剂量2300mJ/c㎡时，50-70微米厚度的Sipiol UV涂层可在数秒内完全固化。相较之下，粉末涂层与环氧涂层都需要加热10~30分钟才能完成固化。因此从生产效率的角度来看，UV绝缘涂层具备接近于“蓝膜”的工艺优势。粘接性能是大家关注的重点。正如前面提到的，在当今的动力电池Pack设计中电芯组件通常通过结构胶直接粘合在一起。如果“粘不牢”就意味着车载环境下的振动、冲击将对电池的安全性造成极大威胁！为了进行量化的横向对比，《白皮书》采用ASTM D1002标准，对经历了-40°C～100°C热冷冲击和85°C / 85%RH老化的四种绝缘方案进行了剪切强度测试。而本次测试选用的结构胶是Parker Lord自家生产的的Fusor® 2098环氧胶。
  在对各个样件的剪切失效模式进行分析汇总后可以发现： “蓝膜”的失效以PSA胶层的内聚破坏为主，体现在应用场景就是“蓝膜”比较容易从电池外壳上撕下来；这种情况意味着电芯的绝缘性能已不完整，发生短路的可能性急剧升高，因此以红色标出。粉末涂层和环氧涂层则存在与结构胶之间发生界面破坏的情况，说明结构胶与涂层之间的粘接强度是薄弱环节；不过此时的涂层依然牢固地附着在电池外壳上绝缘性能未受影响，因此标为黑色。而UV绝缘涂层的表现就比较令人满意了，所有的失效模式均是涂层本身的内聚破坏，这意味着涂层与结构胶和电池外壳之间的粘接力大于涂层自身的内聚力，从粘接性能的角度来看属于最理想的效果，因此就以绿色标出。
材料的绝缘性能很重要的一个维度就是介电强度，这个属性直接关系到动力电池的电气安全性。从下表中可以看到，在本次评估的四种绝缘方案中，“蓝膜”的介电强度最高，UV绝缘涂层次之，而粉末涂层最低。那么具体到动力电池各个组件的绝缘需求，靠近电芯的组件通常需要能够承受约3kV电压，而冷却板之类组件的击穿电压则必须高于5kV。因此这次Parker Lord就在《白皮书》中将击穿电压及格线设定成了6kV。从下面的曲线就能看出，“蓝膜”发挥最为稳定，无论薄厚它的击穿电压都维持在10kV以上的高位；而UV绝缘涂层和环氧涂层的膜厚大于100微米之后就能到达及格线；只有粉末涂层，因为本身的介电强度较低，其厚度大于200微米时击穿电压才能超过5kV。“蓝膜”虽好，但粘接性能是短板，会直接影响到动力电池的安全与可靠性；环氧涂层与粉末涂层的粘接性能相对不错，但是在生产效率、绝缘性能与边缘覆盖性能上存在各自的短板；只有UV绝缘涂层，不仅弥补了“蓝膜”的短板，在其它关键性能上又优于粉末涂层与环氧涂层，可谓是没有明显短板的“五边形战士”了！当然，即便UV绝缘涂层如此之好，作为一种全新的应用它的普及必然也不会一帆风顺。比如现阶段的HVLP喷涂工艺，一方面会造成大量的材料浪费，另一方面又需要额外搭建喷涂车间，这无疑抬高了用户从“蓝膜”转投UV绝缘涂层的切换成本。针对这个问题，目前已经有设备厂商在配合用户端尝试运用打印喷涂的方式替代主流的空气喷涂工艺。我们有理由相信，一旦这个新工艺开发成功，必然会帮助UV绝缘涂层在动力电池上的应用迎来一轮爆发式增长！

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