电动汽车制造复合材料电池壳面临的挑战

来自WardsAuto.com的消息表明，2022年3月，在全球交付的汽车中，有近1/4是电动汽车。虽然存在着“疫情导致的经济增长放缓、供应链挑战、缺乏广泛的充电基础设施以及消费者对混合动力和电池电动汽车接受度不高”等一系列的挑战，但汽车电气化的步伐仍在加速。 在“价格、性能与防护：电动汽车电池壳”一文中，介绍了汽车供应商在为电动汽车制造复合材料的电池壳时所面临的挑战，并重点介绍了CAE软件供应商为此所付出的努力，以及这些软件令一些供应商能够更加容易地实现对复合材料电池壳的制造及其实际性能的准确模拟，尤其是那些采用不连续纤维增强复合材料制成的电池壳。同时，还提到了如何利用石墨烯纳米粒子来提高复合材料电池壳的性能。在此基础上，本文将重点介绍材料供应商们在开发更高性能的复合材料以满足汽车制造商和电池模块生产商当前和未来日益严格的性能和安全要求方面所付出的努力。

如前所述，用于电动汽车高压电池系统的外壳需要平衡好一系列复杂的要求：

首先，必须为携带重型电池系统而提供长期的力学性能，包括扭转刚度、模态刚度和弯曲刚度，以确保这些电池模块的使用寿命，同时保护电池免受腐蚀、短路、石击、灰尘、湿气侵蚀和电解质泄漏等的影响。在某些情况下，外壳的设计还要防静电放电（ESD）以及来自附近系统包括来自高级驾驶辅助系统（ADAS）雷达的电磁干扰/无线电频率干扰（EMI/RFI）。

其次，在发生碰撞时，外壳必须能够保护电池系统不被压坏、刺穿或者因水/湿气的侵入而造成短路。

第三，在各种气候条件下充电或放电的过程中，电池系统必须有助于保持电池单元处在理想的热工作环境中。车辆发生火灾时，还要尽可能长时间地保证电池模块不着火，同时保护车内乘客免受电池包内的热失控而导致的高温和火焰带来的伤害。此外，还需要应对“减轻质量以延长单次充电的续航里程、确保多部件系统的叠加公差不超过可用封装空间公差范围以及成本、可用性和报废（EOL）回收”等挑战性问题。下面介绍8家材料供应商是如何应对这些挑战的。

英力士公司

作为不饱和聚酯（UP）、环氧/乙烯基酯（VE）和其他混合树脂系统的长期供应商，英力士（INEOS）复合材料美国公司（以下简称英力士）还提供用于预浸料、模压成型的片状模塑料（SMC）、团状模塑料（BMC）以及用于复合材料湿法成型（LCM）、树脂传递模塑成型（RTM）、灌注、喷射、铺层、拉挤和浇注等工艺的胶衣和添加剂。毫无疑问，该公司的材料已在SMC电池盒盖上发挥了作用。自2011年以来，这些电池盒盖被用于北美的混合动力和电池电动汽车上。在中国市场，其材料被用于多个汽车平台的电池盒盖上。

“OEMs正在加速为电动汽车的电池壳开发更加精细的性能特征和材料规格，大多数的升级都涉及阻燃（FR）要求或底部和侧面的冲击防护要求。”英力士交通运输市场复合材料业务开发经理Dan Dowdall解释道，“为了应对这些不断变化的需求，我们最近推出了一种专为SMC电池壳应用而配制的新的高性能、低成本树脂系统Arotran 2502。该材料具有高强度、高耐热性能，能在配混期间提供特殊的浸润性和流动性，因而可以方便地添加更高含量的玻纤或碳纤来满足高强度、高刚度要求，添加更高含量的矿物填料来降低成本或提高阻燃性，以及添加更高含量的玻璃微珠来减轻部件质量。此外，用该树脂制成的SMC具有更好的流动性，能够填充复杂的部件形状，允许更大部件的固结成型，从而使电池壳具有更高的容积效率。”

该公司表示，采用这种新树脂制成的SMC，以2mm的厚度通过了UL 94 5VA 测试（当时，一些基于不饱和聚酯和乙烯基酯的SMC配方，同样的厚度未能通过UL 94 5VA 测试），且在其他阻燃测试中也表现良好。在一项用于内部筛选的扩展阻燃测试中，将面板暴露在800℃的温度下，10分钟后依然保持完好。在热重分析（TGA）测试中，这种新材料表现出了最高的初始温度值，表明Arotran 2502要比传统的不饱和聚酯和乙烯基酯树脂更能抵抗热降解。即使在要求严格的UL 箱热失控测试中，采用Arotran 2502制成的SMC也表现极好。目前，该公司的研究重点是改善工艺、成本、性能和可持续性。

“针对电动汽车的电池壳应用，一个重要的研发项目是，为采用订制预成型件以便获得更高的力学性能而开发复合材料用的树脂。”Dowdall说道，“我们还积极地与技术合作伙伴合作，开发EMI/RFI 纱和毯，以满足电池壳日益严格的电子屏蔽要求。”

Johns Manville公司

位于美国科罗拉多州丹佛的Johns Manville公司（以下简称JM）生产隔热材料、车顶材料和工程产品，包括用于各类复合材料的玻纤粗纱。2021年秋季，该公司采用阴离子聚合己内酰胺来生产聚酰胺6（PA6）基的Neomera系列有机片材，从而进入了半成品市场领域。最初，其产品由玻纤织物和无卷曲织物（NCF）进行增强，而采用其他织物以及更长的短切纤维（玻璃纤维或碳纤维，或者两者的混合）进行增强的级别也在开发之中并将很快推出。

采用己内酰胺单体取代完全聚合的PA6聚合物进行浸渍所带来的好处是粘度更低，因而使有机片材能够获得更好的浸润以及拥有更高的纤维体积含量（FWFs），这将为复合材料部件带来更高的刚度、强度和抗冲击性能。玻纤毡热塑性塑料（GMT）/有机片材类产品的另一大好处是，只要基体相容，可以将采用不同纤维类型和结构的叠层铺放到压机中成型，从而为采用连续纤维选项有选择性地加强需要更高力学性能的部位提供了关键的自由度，同时也提供了良好的流动性和纤维浸润性，以确保“采用不连续纤维选项”的复杂形状的部位能够得到完全填充。由于玻纤增强PA6所具有的韧性，据说正在对该材料进行评估，以将其用于一系列的汽车部件，包括电池壳结构。

“随着电动汽车产量的快速增长，人们的注意力正转向与材料相关的另外两个方面：可持续性以及对汽车装配过程的潜在影响。”JM的复合材料产品负责人Dana Miloaga说道，“可持续性的影响非常大，一家领先的欧洲OEM正在就如何筛选出能对其可持续发展目标带来影响的解决方案而向材料供应商提出具体要求。从我们收到的反馈来看，有关材料的储存和整合到生产过程之中、工厂的占地面积以及装配操作的顺序等问题，都表明OEM需要的复合材料要易于处理，易于在自动化的操作中使用，以满足汽车的大批量生产要求。”

Miloaga表示，JM一直在与德国Forward Engineering GmbH 公司位于美国密歇根州Royal Oak的办事处合作。Forward Engineering GmbH是专业从事轻量化聚合物、复合材料和多材料解决方案的全球性交通运输设计和工程咨询公司，具有设计电池壳系统以及专为电池壳提供原型开发、测试和验证的特殊技能，能够对JM的全热塑性壳体设计进行全面的力学性能和碰撞模拟，从而为开发先进的材料卡（用于碰撞模拟，以为具体的客户应用项目提供支持）而定义具体的铺层方案。正如“价格、性能与防护：电动汽车电池壳”一文所介绍的，汽车行业对用于复合材料的特别是用于不连续纤维增强复合材料的精确的材料卡有着相当广泛的需求。