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积水化学:动力锂电池热失控状时导热及耐火技术对电池安全的影响

   次浏览   盖世直播   2020-03-11

新能源汽车补贴政策从2016年开始退坡,同时提出动力电池高能量密度路线。近期接二连三的电动车自燃事件,引发了大众对于电动车安全的进一步关注。7月5日,由盖世汽车主办的2019新能源动力电池安全技术论坛在上海举行,积水化学耐火材料事业部海外业务负责人玉川達彦、积水保利马经营战略本部工程师亀谷英明、积水化学车辆运输战略室的王哲伟就动力锂电池热失控状时导热及耐火技术对电池安全的影响进行了主题演讲,内容如下:

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积水化学耐火材料事业部海外业务负责人玉川達彦(右)、积水保利马经营战略本部工程师亀谷英明(左)

王哲伟:

大家好,我是来自积水化学车辆运输战略室的王哲伟。 

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首先,由我这边简单介绍一下积水是一个什么样的公司。 

积水成立于1947年,今年是第72周年,全球26000多人,集团总销售额折合人民币的话大概是700亿元左右。

我们公司主要致力于三大部分:一部分是上面的部分,房屋建设,主要是一些别墅类的比较多;还有一部分是关于医疗以及环境;而第三部分,也是我们团队的主要业务,就是右下角部分的高机能塑料。其中,我给大家介绍几款在世界上比较出名的材料。

大家对“积水”本身这个名字可能不是很了解,但是估计很多人听说过“中间膜”,就是汽车的前面玻璃、后面玻璃、左右玻璃等,中间夹的那层膜。它在全世界的份额比较高,平均下来2台车里面就有1台用的是我们的产品。我估计,我们在场的朋友们就有一半人以上的车上用的膜,就是我们积水生产的。

还有,手机的液晶屏,将液晶夹起来的两层玻璃之间要保持绝对的平行,这个里面用的小金球要求精度很高。

这几个是我们占市场份额比较高的。下面把话筒交给我们的龟谷英明先生。

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龟谷英明:

大家好,我是积水保力马的龟谷英明。

EV起火事件在增多,至今发生了很多起这样的事故。而随之而来的,就是各种安全标准,如中国GB国标,还有欧盟的UN-GTR,这些规定都在渐渐地浮出水面。针对这些标准,我们该如何去应对、对策,以及解决这些安全问题呢?我们提出了两种解决方案:一种是具备防火性能的导热凝胶;一种是在达到轻量化目的的同时,起到耐火、隔热效果的方案及对策。

接下来,我介绍一款积水主推的导热凝胶。

在导热的基础上,我们的导热胶还具有吸热的效果。EV车现在越来越多,起火事件也越来越多。这些车里面也有用到很多导热胶,但是,我们的导热膏是具有吸热的效果,接下来会进行详细的介绍。

针对电池模组以及电池包,我们CGW系列导热胶的实际应用状况。接下来,放两个简短的小视频:一个是CGW在电池模组里的扩散情况,另一个是它在电池包里面实际的涂布情况。

这个是CGW在电池模组里面的状态。现在可以看到,我们的CGW系列在模组里面正在扩散。这个是用点胶机点胶的状态,也是实际使用时的状态。

估计现在大家对这个产品的使用方法、使用的位置,应该有一个印象了。

这款材料,在欧洲、日本以及韩国等各大区域,已经有实际的采用。

这个是我们的产品的物性以及构成列表。因为是导热材料,所以我们准备了三种导热性能:2W、3W、3.6W。像我们这款导热胶,里面除了具有正常的导热粒子之外,我们还导入了“吸热粒子”,这个也是今天的一个关健词。在电池发生热失控时,吸热粒子会对电池的热失控起到很好的预防作用。

这个是我们做的一项实际的测试。将我们的材料涂在电池单体表面,然后用两个铝板夹起来之后,对它进行针刺,使它发生热失控。这时候,对电池的各个部位进行测温,对比在使用、不使用我们的产品的情况下,各个测温点的温度变化情况。

这个是实际做出来的结果。绿色的曲线代表的是2W的材料,蓝色的曲线代表的是3W的。

首先,红色的温度上升比较高的曲线,是在不使用我们CGW系列时的温度上升状态。从曲线可以看到,在不使用我们材料的情况下,也就是空白的状态下,针刺的结果是,在非常短的时间内,温度就会剧烈的上升。

与之相对比的是,采用我们材料之后,所测的温度状态。首先是蓝色CGW3的结果。从蓝色的CGW3可以看出,当使用这个材料的时候,温度的上升会有明显的下降;同时,绿色的CGW2的话,加入了更多的吸热成分,效果会比3更明显一些。

这边是4个测温点,分别各自的状态。暂定把温度设在300度的话,两种材料在一定时间内都没有达到300度的限制。从这个曲线里可以明显的看出,加入了更多吸热粒子的CGW2比CGW3的效果更好一些。

下面这个,是假设使用方案的一种。比如说,在电芯之间以及模组内部,不管是哪个部位使用我们的材料,起火的时候都可以起到防止火势蔓延的效果,防止连锁反应的效果会更好一些。

各种法律法规、强标等已经开始浮出水面,越来越清晰。我们希望与各位伙伴们,今后在共同检讨、研究的情况下,把这项工作往前推进,希望能对EV电池的安全领域做出一份贡献。

今天我的演讲就到这里。接下来,由我们耐火材料部的同事给大家介绍一下。

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玉川达彦:

接下来,由我来介绍一下我们的耐火材料。我是积水化学的玉川,请多多关照。

今天这两款材料,是在日本的房屋建设中有实际销售以及应用的。EV锂电池上也需要各种防火对策,所以我们希望这两款防火材料在这个方向上,也能起到一定的帮助。

其中一款是Fi-Block,它是加热到一定程度后,会膨胀的一款材料。不一定非得要用火烧,加热到这个程度的话它也会膨胀10倍到40倍,中间会有空气层,所以起到一定的隔热作用。 

这个视频上,我们在下面放了加热板。可以看到,Fi-BLock一直在膨胀。这个画面的颜色代表温度,越向表面温度越低,不同的膨胀厚度下,会有不同的温度差。

关于产品状态,从卷状到片状,各种状态的都有。这个是它简单的物性表。其中有几点跟大家介绍一下:一个是密度是1.2g/cm3,是水的1.2倍;还有导热率,基本上是在0.1W到0.3W之间;厚度的话基本上是1mm左右,而最右面的开发品,最薄的可以做到0.15mm。

接下来,给大家介绍另一款材料,积水耐火PU。右侧是它的耐火原理,简单说一下。当它遇火的时候,在表面会形成一层炭化层,来实现耐火的效果。下面有一个简短的小视频,是我们的耐火PU和普通PU的火烧测试的对比。

左侧的是我们的耐火PU,右面是普通PU。用火枪去烧。可以看到,拿开火枪之后,右面的材料还在不停的燃烧。

  这个也是一个简单的物性表。这款材料正在开发当中,现在最薄的只做到5mm。但是可以看到,它两个最大的特点:一个是密度很低,每立方米的话只有48公斤;另一个是导热率,比刚刚的Fi-Block还要更低一些,只有0.03W。

我们内部,对这个材料做了这样一个测试。因为材料本身可能比较薄,需要一个支撑,所以在材料后面加入了碳纤维强化树脂,也就是CFRP。从耐火材料这一侧用火枪去灼烧,检测CFRP面,也就是非加热面的温度变化。

这个图,横轴是时间轴,竖轴是非加热面的温度。下面蓝色的两个曲线,一个浅色的,一个深色的,是采用两种不同材质的Fi-Block测出来的效果。补充一下,我们的耐火PU是上面黑色的曲线,它是不膨胀的。下面的两款材料是膨胀的,浅蓝色膨胀到10mm,深蓝色的膨胀到40mm。

这两款材料都有改良的余地。我们在想,在下面的这些用途上,他们应该能做出一些贡献。我们的假设是,像今天的论坛主题一样,讲电池的安全、轻量化、耐火、隔热。我们在想,现在的电池包上盖主要用的是金属材料,轻量化的话,今后有没有可能改成树脂呢?这个时候,耐火以及隔热就会需要多层复合,那么,我们的材料应该可以做出一些贡献。我们跟各个主机厂也有接触,聊的时候也有朋友提出说需要这种材料。

另外,还有一种假设的用途。在中国,EV巴士越来越多,在地板内铺这样的材料,是不是更有安全性?

今天,我们主要提出了两种假设用途。如果说各位另有一些其他的设想用途或者是需求的话,可以随时和我们联系。这两款材料,尤其是耐火PU,对于车用来说,正处于研发阶段,所以不一定能够马上提供您所需要的样品,但是我们可以事先去交流。在场外有我们的展台,如果有需求的话,结束之后可以去跟我们沟通。

今天,我们积水的华北、华东、华南等各个区域的销售主管都有来到现场,可以跟各位交流。如果积水能够为各位所担心的事情或者是所发愁的事情提供解决方案的话,我们会感到很荣幸,谢谢。

问答:

问:请问一下龟谷英明先生,您介绍的CGW-2/3,加入吸热填料以后,对导电性能会不会有影响?

龟谷英明:

这个不会有什么特殊的影响。

(补充:CGW2和CGW3两款材料在欧洲、日本以及韩国都有实际应用,它们的绝缘性并没有任何问题。这次介绍的吸热性能,是我们针对现有产品的一个附加性能的验证,也的确验证到,CGW2和CGW3,尤其是CGW2具有良好的吸热效果。所以,对于已经采用我们CGW系列的客户来说,这是一个发现了它附加性能的好消息。)

问:玉川达彦先生,您刚才介绍的Fi-Block可膨胀这个材料,比如说,在锂电池电池包里使用的话,可能并不是一个自由的状态,而是受压力的状态。如果在受压力的情况下,第一个是对温度的隔绝性能,还有力学性能会不会有其他方面的影响?

玉川达彦:

耐火PU这款材料现在比较脆,对它会有影响。

而Fi—Block,它膨胀的时候,膨胀的强度可以调节,根据客人的需要,我们可以对它做不同的调整。

(补充:关于隔热方面,隔热性能取决于电池包内留给Fi-Block能够膨胀的空间的大小,可膨胀的空间越大,隔热效果就越好。)

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