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从钢铁到复合材料：电池外壳多种材料研发应用与市场前景

从钢铁到复合材料：电池外壳多种材料研发应用与市场前景 材荟智造
2024-06-05
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导读：从钢铁到复合材料：电池外壳多种材料研发应用与市场前景

电池是电动汽车最重要的核心部件之一，无论是面对高温、涉水乃至撞击，保护电池的安全都不可忽视。要保护电池的安全，电池的外壳是重中之重。国内地区部分生产企业创新的电池壳体成了保障安全的一大利器！
由于电池是电动汽车的核心关键部件，电动汽车研究工作者已经把注意力集中在电动车的电池，并且寻找理想的材料来保护电池。而钢铁是批量生产中最经济和可持续的电池外壳材料。


电池壳体如何起到保护作用和电池外壳必须满足的条件是什么？


电池壳体是电动车的必要组成部分，容纳高压电池、电子元件、传感器和连接器，帮助保护车辆的整体结构和安全，使关键部件免受潜在的外力冲击、受热和渗水的影响。
纯电动车的电池壳体都比较大，一般长有两米左右，宽一米四左右。这么大的产品要保证防水气密性在技术上是非常有挑战的。
一方面在产品设计和制造工艺上国内有的公司采用可以防漏的各种技术，另一方面每一个电池盒产品下线前都要通过严格的气密性检测。
同时，电池外壳的主要任务是保护电池模块。它们是驱动系统和结构元件之间的接口，因此是电动汽车中最重要的组件之一。
为了确保有效的保护，它必须足够稳定，以在发生事故时保护电池模块不受损坏。内置的冷却系统还可以防止电池模块过热。最后，尽管受到环境影响，电池外壳必须具有极强的抗腐蚀能力，才能保护电池可以正常使用多年。
值得一提的是：由于电动汽车充电过程时间较短，电流强度大，使用频率高，所以在保证良好的绝缘性同时还要求电池外壳材料具有一定的耐高温、耐老化性能，并且在燃烧时具有无卤阻燃和低烟密度。

热塑与增强塑料材质在电动汽车电池外壳盒子上的制造过程和价值体现分析


相较于金属组件，大面积全塑料外壳既能够缩短循环时间，还有助于减轻车辆重量，从而可以使电动汽车（EVs）的续航里程增加。
朗盛（Lanxess）和考泰斯·德事隆集团（Kautex Textron）花了几年时间合作研究电动汽车的电池外壳是否可以由工程热塑性塑料设计和制造。
使用直接长纤维热塑性塑料(D-LFT)和聚酰胺6 (PA 6)树脂，他们在可行性研究中开发了一种技术演示器。
这项研究系统尺寸为1,400*1,400毫米（长*宽），是一个复杂的大型全塑料外壳，重量在两位数千克范围内。
该研究项目的目标是要证明热塑性塑料相较于金属在重量和减少成本、功能综合和电绝缘性能上是很占优势的。
考斯特产品研发总监FelixHaas解释道：“作为第一步，我们已经不再使用金属加固结构，同时证明了我们可以商业化生产这些复杂且大型元件”。
朗盛电子动力系统项目经理ChristopherHoefs博士补充道：“考斯特和朗盛希望可以利用合作的结果与汽车制造商一起进入批量生产的研发项目”。
单阶段制造过程：该演示器是基于C段电动汽车上的电池外壳研制的。它是由带防撞结构的壳体托盘、壳体盖和车底保护装置组成。
外壳组件采用单级D-LFT成型工艺生产，而朗盛则优化了杜蕾森B24CMH2.0聚酰胺6 (PA 6)作为模塑料。
考斯特将PA6与玻璃纤维粗纱混合用于该工艺。使用朗盛的Tepex dynalite纤维增强热塑性复合材料完成外壳结构的局部加固。
Haas解释：“该过程能够缩短周期，因此相比于在钢或铝的加工周期，这种方法更具有经济性”。
根据了解获悉，该验证是基于C段电动汽车上的电池外壳研制的。它是由带防撞结构的壳体托盘、壳体盖和车底保护装置组成。
如今，高电压电池的外壳最初是由挤压钢或铝材质制成的。
取决于车辆类别，外壳的长度可超过2,000毫米，宽度可超过1,500毫米。尺寸、部件数量以及众多的制造和组装步骤使得金属外壳成本非常高。
例如，由钢绞线压制型材制成的复杂结构需要很多辅助操作，如焊接、打孔、固定等。
此外，在额外的工艺步骤中，必须通过阴极浸涂保护金属部件免受腐蚀。
简化组装和物流：Hoefs说：“另一方面，塑料可以充分设计。通过集成紧固件和热管理组件，电池外壳的单个组件数量可以大大减少。简化了组装和物流工作，从而减少成本”。
塑料还具有耐腐蚀性和绝缘性。例如，塑料可以减少系统短路的风险。塑料的低密度和轻质结构可以使外壳重量降低，这有利于增加电动汽车的续航里程。
高压电池外壳必须高度满足各种需求。例如，必须坚硬且结实，能够在发生碰撞时吸收大量能量。这是通过机械冲击和挤压试验进行测试的。在汽车起火或碰到电池热失控的情况下，外壳必须是阻燃的。最终，外壳必须集成到车辆结构中。
Hoefs说：“我们将在优化元件生产和结构设计上继续努力。我们的目标是以虚拟方式展开工作，在原型试验中节省成本，缩短未来系列元件的上市时间”。
与此同时，最近几年来，增强塑料在汽车电池盒中也是关注点超级高，例如SGLCarbon与中国汽车制造商NIO合作开发复合材料电池盒这个事情就能够说明问题，SGLCarbon（德国威斯巴登）宣布，它已与中国汽车制造商NIO合作，为电动汽车开发碳纤维增强塑料（CFRP）原型电池外壳。
据称CFK电池盒比传统的铝制或钢制电池盒轻40％，并且与铝相比，具有高刚性和约200倍的导热性。“此外，复合材料在水和气密性以及耐腐蚀性方面也具有最佳值”，西格里复合材料 -纤维和材料业务部门汽车市场部门经理SebastianGrasser表示。箱底和盖子包括夹层芯和几层碳凝胶。
用于生产地板和盖子的工具设计是在SGL的轻量级和应用中心开发的，这些部件的碳纤维是在位于美国华盛顿州MosesLake和英国Ord的Muir的SGL工厂生产的。在德国瓦克斯多夫加工成稀松布。
SGL在奥地利Riedim Innkreis 的工厂进行了地板和盖子的生产以及各个部件的组装。据说电池的外壳特别轻，稳定且安全。
据报道，整个电池盒，包括电池，也可以在三分钟内在NIO自己的交换站更换。
西格里碳素公司预计，随着电动汽车的增加，汽车行业电池箱轻量化解决方案的需求将在未来几年内急剧增加。
该公司已经与各合作伙伴合作，进一步开发由复合材料制成的不同电池盒，这些电池盒将来可以扩展到各种尺寸和设计的电动汽车电池。
“轻量化结构是NIO技术路线图的核心要素之一"。
采用复合材料，特别是在电池盒系统中使用高性能碳纤维，我们的车辆提供更好的动态驱动性能，更长的续航里程和非常高的能量密度电池组（超过180Wh / kg）。
这些功能非常适合NIO品牌价值，如终极产品和系统效率。

高性能复合材料电池包壳体的开发与验证分析

为满足更加严苛的排放法规，汽车制造商正致力于开发可规模化生产的动力驱动系统。
纯电动、混合动力、插电式混合动力、燃料电池等汽车类型将在未来的汽车市场中发挥越来越重要的作用。
但是，目前电动车的续航还尚未达到汽油或柴油车的标准。
电动车增加续航的方法一般有两种：一种是安装大容量储能系统，但这会增加车辆重量；另一种是选用高能量密度的储能材料，但是目前电池的能量密度还达不到应用需求。
此外，提高车辆整体效率是减少燃料消耗的有效方式。除了上述动力总成中的优化措施外，还需要通过减重来降低行驶阻力，从而实现节能减排。
因此，轻量化不仅是燃油车的需求，对电动车来说也非常重要。
一般而言，重量减轻100公斤，可减少约10克/公里的二氧化碳排放量，最多可减少0.45升/100公里的油耗。
对于电动车，电池包壳体的轻量化不仅可以使汽车高效运行，还将提供更大的续航。
但是电池包壳体的设计在轻量化的同时，还需要尽可能地可靠和安全。
这就需要考虑其防火安全性、刚性、热管理、电磁兼容性和抗腐蚀性能等诸多因素。
1.复合材料电池包壳体的模块化设计
当前，电动汽车的电池包壳体主要由铝和钢制成。
相比之下，SGLCarbon开发的如图所示的复合材料电池盒可实现40%的减重，其相关机械性能对比如下图。
电池包壳体的底板和上盖的设计对于壳体的性能具有较大的影响。
复合材料电池包壳体一般采用三明治结构设计：采用PET、EPDM、泡沫铝等类似的芯层材料，与多层碳纤维或玻璃纤维织物复合材料结合，采用快速固化的树脂材料经模压成型。
其中，织物的形式可以是轴向织物、机织物、或者无纺布等，具体如下图。从纤维到预浸料，再到成品的工艺流程如下图所示。
同时，材料可以灵活地相互组合以匹配相应的应用需求。特别是沿纤维拉伸方向定位的纺织层具有较好的定性，可较为容易地应用于部件的设计。
因此，通过纤维或织物的铺层方向设计可实现不同要求的受力，从而有效地进行材料利用。
2. 电动汽车电池包壳体的性能要求如下
  • 机械性能：
    电池包壳体的刚度特别重要，在多数电动汽车中，电池包壳体是车辆结构的重要组成部分，其性能对白车身的整体刚度起着重要作用。这需要电池包壳体满足正碰和侧碰的安全要求。
    如图，电池包壳体的刚性在很大程度上取决于所使用的三明治结构，一般采用泡沫铝材料作为夹心层材料。
    此外，纤维增强部件的高比刚度、低重量和良好的阻尼特性也对车辆的噪声、振动、NVH性能具有积极影响。

热管理和阻燃性：
复合材料电池包壳体的另一个优势是碳纤维增强复合材料的导热系数比铝合金低200倍，且其具有更好的绝缘性，因此复合材料电池包壳体比传统金属壳体能更好的抵御高低温的性能。
目前普遍使用的锂离子电池的理想工作温度在10至40°C之间，一般需要增加冷/热管理系统。
而复合材料壳体具有更好的隔热效果，在热条件时所需的能量更少，进一步提高了车辆的效率，降低了总功耗。
除了对热管理的积极影响外，低导热系数也是有效阻燃的极佳先决条件。
通过添加阻燃剂，复合材料壳体可轻松满足UL94-V-0、UL94-5VB等阻燃要求。  
研究人员对样本面板材料进行了比较测试：将样件暴露在距离800℃火焰只有几厘米的地方，测量另一侧温度。
由于铝合金在660℃左右的温度下就达到熔点，因此，选择了钢板、标准热固性树脂复合材料和上述添加阻燃剂的三明治复合材料样本进行了测试，结果如图。
另一侧的温度分别为：钢：30秒后约为750°C、标准的热固性树脂环氧复合材料：60s后约550°C、添加阻燃剂的三明治结构材料：180s后约350°C。
上述结果表明，三明治结构复合材料电池包壳体具有优异的阻燃特性。同时，该材料还具有自熄性，可防止火灾的发生。
并且由于热导率低，在发生火灾时，复合材料壳体仅能将电池燃烧产生的高热量有限地传递到相邻部件和乘员舱，这将为乘务人员的逃生赢得宝贵时间。
  • 其他性能：
    此外，SGL Carbon开发的三明治电池包壳体还可以更好地满足防腐蚀性要求，可提供更好的密封性。
    通过纤维铺层和纤维体积含量的设计，可实现关键区域的电磁屏蔽。
    同时，复合材料的应用提供了更多集成化设计的空间，相关增强组件、附加元件、连接组件、传感器等都可实现集成化设计。
因此，合适的材料用在合适的地方，SGLCarbon通过使用高性能碳纤维复合材料设计开发的三明治电池包壳体减轻了产品质量、提高了系统效率，同时还有助于提升整车的动态驾驶性能，提升续航里程。
目前，SGLCarbon已与蔚来汽车合作，为高性能电动汽车开发碳纤维增强塑料电池外壳的原型。
未来，SGLCarbon还将与更多的合作伙伴开发不同尺寸、适用于不同电动汽车的复合材料电池包。

注：此文章仅供参考，如涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容！

来源：中欧SENIA，Smart Energy Expo


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