Bayblend® FR3010

大「方」至簡,極致「塑」封——方形電池封裝的高分子材料選擇

在動力電池領域中,有方形、圓柱形和軟包三種類型的電芯格式。而方形是鋰電產業最主要的電芯格式。與圓柱形和軟包電芯相比,方形的生產應用較早,具有內阻小、成組能力強、空間利用率高、電芯自身剛性高和可客製化程度高等優勢,成為動力電池的最大格式類型(圖1)。根據2018年動力鋰離子電池裝機量統計資料,方形占比74.1%,達到42.24 GWh。

 

而在鋰離子電池的封裝上,高分子材料因其質輕、優良的絕緣性能、永不生銹等特徵成為方形模組選材重要的部分。從方形模組的設計要求來看,模組絕緣板、模組支架、匯流排等是高分子材料的主要應用領域。

挑戰和機遇

從材料的性能來看,以下幾個指標對方形電芯成組的可靠性相當重要。

  1. 阻燃性能:越來越多的安全意外發生,使得阻燃成為最基本的安全標準,並成為產業的規範之一。在設計上達到UL94 V-0阻燃等級也成為產業通用標杆,不少企業同時將「不使用含氯/溴阻燃劑」納入環保規範。
  2. 絕緣性能:另一個與安全直接相關的材料指標,它要求零部件在全產品生命週期內肩負起絕緣的責任,避免「短路」等風險。
  3. 長期使用溫度(Relative Temperature Index,RTI):基於車用鋰離子電池的安全測試規範(冷熱循環、濕熱老化等)要求,一般要求高分子材料的RTI不低於80˚C。一般來說,電芯一般的工作溫度上限為55-65˚C,以長期可靠性來說,高分子材料的RTI應該高於此數值。
  4. 衝擊強度:方形電芯由於自身具備一定的結構剛性,故而對於封裝材料的剛性要求並不顯著,但衝擊性能則不可忽視。在電池外包裝的震動測試、跌落測試中需要高分子材料零件具備足夠的能量吸收能力而不至於斷裂失效。

基於上述要求,一些常見的工程塑料如聚醯胺(PA)、改性聚苯醚(m-PPE)、聚碳酸酯及其合金(PC,PC/ABS)等成為設計師可能面臨的選擇。表1對這三種材料進行了關鍵性能的對比。

在此需要注意的是,我們不建議在鋰電模組封裝上選擇通用塑膠如聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚氯乙烯(PVC)等,因這些材料在強度、耐溫等級或阻燃性能上的不足,可以為「長期安全可靠」帶來疑慮。

  • 三種常見工程塑料的性能對比
  聚酰胺(PA)

改性聚苯醚

(m-PPE)合金類

聚碳酸酯極其合金

(PC, PC/ABS)

 阻燃性能  常用鹵素阻燃劑或較多的無鹵阻燃劑  優良  優良
 絕緣性能  吸水後絕緣能量明顯下降  優良  優良
 尺寸穩定性  易吸水、尺寸變化大  優良  優良
 抗衝擊性能  優良  一般  優良


科思創的解決方案

科思創(Covestro)高性能阻燃PC/ABS合金(Bayblend® FR3010)以其卓越的阻燃性能、穩定可靠的絕緣性能和極其優異的抗衝擊性能等優勢,成為方形模組封裝的代表性材料。

隨著產業發展的深入,越來越多的整車廠或者電池包裝供應商對產品品質提出了更高的要求,同時也開始著手建立動力鋰電池上游原材料的品質認證規範。對於高分子材料而言,阻燃等級、絕緣性能、長期使用溫度RTI和衝擊性能是必備的關鍵性指標,除此之外,材料工程師們更期望材料具備良好的尺寸穩定性、平整度等。

未來,高品質封裝將給設計師帶來靈感,給消費者帶來安心!

  • 科思創Bayblend® FR3010用於方形模組封裝的主要性能指標
科思創Bayblend®FR3010 建議標準
必備性能 阻燃性能 V-0@1.5mm V-0@1.5mm
絕緣性能 表面電阻 1E16Ω >1E14Ω, 穩定
長期使用溫度RTI 95/85/85℃ ≧80℃
抗衝擊性能 缺口衝擊強度35KJ/m2 ≧25KJ/m2
附加性能 流動性 15 cm3/10 min ≧10 cm3/ 10 min
低翹曲、低變形 收縮率0.5 – 0.7% 優選收縮率< 1%的無定性聚合物
尺寸穩定性 吸水率低、對濕熱穩定 尺寸變化<0.1%