電池?zé)峁芾韡新能源汽車電池包防火涂料應(yīng)用研究

電池包內(nèi)的熱失控會導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生短路，從而引起電池正負(fù)極材料發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電芯溫度急劇上升、壓力過大、外殼破裂、整車自燃起火甚至爆炸等事故。電動汽車中的動力電池自燃具有燃燒速度快、熱值高、差異大和撲救困難等特點(diǎn)，目前動力電池已經(jīng)采取了很多的安全措施。如，通過電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高殼體材料防火性能，改善電池散熱系統(tǒng)，提升電芯材料防火性能等，從而提升電池包的防火能力，降低發(fā)生火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險。

目前各新能源汽車電池包的防火材料以鋪設(shè)防火氈材料為主，如，云母板、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉氈等。當(dāng)電池發(fā)生熱失控后，依靠防火氈材料可以有效隔絕熱量擴(kuò)散和控制火勢走向，有效延緩電池?zé)釘U(kuò)散時間，從而提高電池包防火安全性。圖1為某新能源汽車使用的防火氈材料，防火涂料貼敷在電池盒上蓋外表面，以減緩電池盒熱擴(kuò)散時對乘員艙的熱量傳遞。

雖然隔熱氈可以有效隔絕熱量擴(kuò)散和控制火勢走向、延緩電池?zé)釘U(kuò)散時間，但增加防火氈方案也存在質(zhì)量增加、散熱性能差、設(shè)計施工過程中有一些局限性等問題，因此為了提高防火性能，使防火材料施工更柔性，本文基于新能源車防護(hù)需求研究了新能源汽車用防火涂料及其施工，并做了一定的驗(yàn)證和總結(jié)。

圖1 某新能源汽車電池盒隔熱氈Fig.1 Thermal resistance pad of BEV

防火涂料的原理即隔離：防火涂料一般為難燃性或不燃性物質(zhì)，當(dāng)熱量聚集時可以防止被保護(hù)基材直接接觸空氣、火源，從而起到防火作用。受尺寸限制及空間要求，汽車電池包在車身上安裝后與車身貼合較為緊密、空間較小，且為了滿足小型化、輕量化的要求，其尺寸和電池盒模組及電路系統(tǒng)都非常緊湊，這導(dǎo)致電池包的防火涂層的膜厚為3～7 mm，為有限的電池包提供零部件裝配空間。

由于新能源汽車用防火涂料屬于新的需求，大部分供應(yīng)商還沒有成熟的產(chǎn)品，目前主要是改進(jìn)建筑用防火涂料，然后在車用電池包上進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化。本研究從供應(yīng)商提供的防火涂料中，選取了以下幾種防火涂料，如表1所示。

表1 潛在防火涂料備選清單Table 1 List of potential thermal resistance coating

從表1可以看出，供應(yīng)商提供的防火涂料大部分為膨脹型耐火機(jī)理，無溶劑和水性占大多數(shù)，大部分需要加熱固化以保證其耐火性能，多為雙組分。

其中膨脹型防火涂料主要包括成膜物質(zhì)、碳源、酸源、發(fā)泡劑、填料等，其主要成膜物質(zhì)為丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂或氟聚合物等。在加熱時涂層中熱能被轉(zhuǎn)化，防火涂層能迅速膨脹十幾倍至幾十倍并吸收周圍熱量，從而有效阻止高溫侵入其保護(hù)的基材，并以此達(dá)到防火目的。

水性或無溶劑涂料可以避免揮發(fā)性有機(jī)物VOC的排放，便于廠內(nèi)施工。雙組分及加熱固化材料可以降低材料的烘烤時間，從而提高生產(chǎn)速度、降低成本。

綜合以上各種因素，最終選定了B、C、F這3種涂料進(jìn)行性能驗(yàn)證及廠內(nèi)施工驗(yàn)證。

根據(jù)汽車電池包內(nèi)外空間要求，暫定的電池盒防火涂料施工厚度為0.8～1.5 mm，并基于選中的B、C、F這3種防火涂料，選擇噴涂在電池包上蓋內(nèi)部和外部2種施工方案。為了解防火涂料施工在電池包上后，其性能是否能滿足整車性能要求，結(jié)合涂料性能和整車廠內(nèi)相關(guān)材料工藝性能，在行業(yè)暫無實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，參考了密封膠及涂料涂層的實(shí)驗(yàn)方法，制定了涂層性能實(shí)驗(yàn)方法及指標(biāo)，如表2所示。

百格法附著力測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 百格法附著力測試結(jié)果Fig.2 Test result of adhesion

表2 防火涂料性能驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)Table 2 Performance test standard and index of thermal resistance coating

注：附著力、抗石擊測試參考涂料性能測試標(biāo)準(zhǔn)，其他參考涂裝車間用密封膠性能測試標(biāo)準(zhǔn)。

從圖2可以看出，涂層B、F均可以滿足附著力0級要求，而涂層C由于過脆導(dǎo)致涂層全部碎裂脫落，可見涂層C若使用在整車上，在比較苛刻的條件下，可能存在碎裂脫落風(fēng)險。

在做密封膠附著力實(shí)驗(yàn)時，需要將涂層做成如圖3所示的形狀，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)防火涂層均較硬，以現(xiàn)有的設(shè)備無法用刀片進(jìn)行模擬密封膠的附著力測試，因此，對于現(xiàn)有的防火涂料來說，該項(xiàng)性能不太適用。

圖3 密封膠附著力實(shí)驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.3 Test result of sealer adhesion

測試剪切性能時，將涂料及試板做成如圖4所示，然后拉動左右側(cè)試板以檢測涂層的抗剪切性能，經(jīng)檢測涂層的剪切力均符合表2的性能指標(biāo)要求。

圖4 剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)板Fig.4 Test sample shear strength

涂層冷彎曲測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 冷彎曲實(shí)驗(yàn)狀態(tài)Fig.5 Mandrel bend test result at-30℃

抗石擊實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 抗石擊實(shí)驗(yàn)狀態(tài)Fig.6 Chip resistance test status

由圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出這3種涂料均能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

傳統(tǒng)建筑用防火涂料，施工和使用條件比較簡單，而汽車用防火涂料施工條件則明顯復(fù)雜，因?yàn)檎嚨牧魉€生產(chǎn)要求防火涂料能夠連續(xù)混合供料、施工；而防火涂料也會隨著整車行駛到任何環(huán)境中，因此對其性能要求也較高。熱固化防火涂料在施工時，施工的設(shè)備主要采用雙組分供料泵，可以通過控制面板控制供料比例、溫度等，如，固瑞克（GRACO）XM系列等，圖7、圖8為典型的防火涂料施工工藝和施工布局圖。

圖7 施工工藝Fig.7 Construction process

圖8 施工線布局Fig.8 Process layout of thermal resistance coating

在前期材料性能驗(yàn)證同時初步研究了涂料的施工性能，試噴了B涂料、F涂料，噴涂工藝如表3所示。

2種涂料均為受熱膨脹型防火涂料，當(dāng)烘烤溫度偏高時（如，大于120℃）會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，所以為了保證防火效果，其在烘烤固化時要求的烘烤溫度均較低。2種涂料的A、B組分與密封膠材質(zhì)基本相似，所以其施工設(shè)備均可以采用固瑞克（GRACO）XM系列雙組分供料系統(tǒng)施工。

在施工時B涂料的反應(yīng)固化速度較慢，所以在較短時間停線時仍然可以施工，而F涂料的固化時間較短，但完全固化的時間較長，這需要在施工時不斷排出管路中的混合料，以避免堵槍，直接導(dǎo)致涂料利用率偏低（僅約50%），但是可以添加一些溶劑以臨時解決固化過快造成的堵槍問題。同時由于這些涂料的固化時間較短，在施工間隙休息時需要將已混合的管路清空并清洗，在下個班次生產(chǎn)時再安裝上新的管路，且由于噴涂時需要遮蔽非噴涂區(qū)域，這就導(dǎo)致遮蔽材料、過噴涂料、清洗用溶劑、過程中固化浪費(fèi)材料較多，從而產(chǎn)生額外的危廢處理費(fèi)用。

表3 噴涂工藝Table 3 Spraying process

這2種涂料在施工固化后搬運(yùn)或緊固螺栓導(dǎo)致其型面變化較大時，其周邊的材料均會有一定的開裂問題，所以其噴涂區(qū)域離緊固面要有一定的距離（如，大于25 mm），以避免受力導(dǎo)致開裂。

防火涂料與密封膠有一定的相似性（如，黏度等），但是其與密封膠還是有本質(zhì)的區(qū)別（如，烘烤后硬度、柔韌性等），所以密封膠性能不能代表防火涂料的性能，如，性能測試中的百格法附著力、密封膠附著力、冷彎曲、剪切強(qiáng)度等。因此，表2中的石擊測試可以考慮參考GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測定法》來驗(yàn)證，該標(biāo)準(zhǔn)主要檢驗(yàn)零件在運(yùn)輸、裝配過程中對涂層保護(hù)的容忍度，模擬涂層在車輛實(shí)際使用過程中是否會受到破壞等，而其他的性能標(biāo)準(zhǔn)還需要再不斷摸索和驗(yàn)證。所以，對于汽車用防火涂料來說，建立標(biāo)準(zhǔn)是首要任務(wù)。

通過以上實(shí)驗(yàn)可以看出新能源汽車用防火涂料還不成熟，因?yàn)橥苛洗蟛糠謴慕ㄖ梅阑鹜苛蟽?yōu)化而來，沒有獨(dú)立的體系，沒有按照整車需求進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)，其現(xiàn)場施工難度很大，從涂料性能、涂料利用率等方面來看，不如密封膠和其他涂料成熟，其配方和施工性能還有很大的提高空間，所以需要涂料供應(yīng)商投入更多的精力盡快開發(fā)出更便捷、更利于施工、性能更好的涂料。

汽車用防火涂料對于現(xiàn)有的設(shè)備供應(yīng)商來說也是新的材料，在實(shí)驗(yàn)時采用現(xiàn)有密封膠施工設(shè)備，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，其只能滿足基本的供料需求，無法滿足施工時的精確度要求，還需要對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行適度的改進(jìn)，才能使防火涂料施工基本達(dá)到比較良好的狀態(tài)。所以，在防火涂料開發(fā)的同時，要有相應(yīng)的施工設(shè)備，才能保證防火涂料的正常施工。

對于新能源汽車來說，防火、防止熱擴(kuò)散非常重要，不管是隔熱氈還是防火涂料都可以達(dá)到阻止熱擴(kuò)散保護(hù)乘客的目的，目前隔熱氈的使用更成熟，而防火涂料還處于起步階段，配方和施工工藝還有很大的提升空間，需要涂料供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商和整車企業(yè)充分配合以開發(fā)出更柔性化、更易于施工的防火涂料。

基于國家推動新能源汽車規(guī)劃，2025年新能源汽車銷量占比將達(dá)到20%左右，2035年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，可見新能源汽車將成為主流，相應(yīng)的電池包防護(hù)防火涂料市場將會更廣闊。