PP熱塑復(fù)合材料用于電池包上蓋性能評(píng)估

新能源電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于續(xù)駛里程提升有迫切需求，除了不斷研發(fā)更高能量密度的電芯，電池包結(jié)構(gòu)件的輕量化也尤為重要，在電池盒上蓋應(yīng)用復(fù)合材料成為有效手段。

電池盒用不同復(fù)合材料的材料組成和性能對(duì)比

針對(duì)國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠(chǎng)電池盒上蓋使用的復(fù)合材料進(jìn)行調(diào)研，目前普遍采用的四種復(fù)合材料SMC、PCM、HP-RTM、STM的性能數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 熱固性復(fù)合材料的材料組成和典型性能

從表1可以看到，SMC材料的機(jī)械性能低于其它三種材料，其中楊氏模量只有9Gpa，因此考慮到產(chǎn)品的剛度，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)厚度會(huì)高于其它三種材料；在PCM、HP-RTM和STM材料中，PCM材料的機(jī)械性能最高，同時(shí)密度也是最高的，STM材料密度和機(jī)械性能最低，HP-RTM材料介于兩者之間。

目前市面上主流的復(fù)合材料多以熱固性復(fù)合材料為主，隨著“碳減排”的要求日趨嚴(yán)格，并且隨著熱塑復(fù)合材料行業(yè)的技術(shù)發(fā)展日趨成熟，熱塑性復(fù)合材料將成為汽車(chē)行業(yè)一個(gè)關(guān)鍵的新型材料。

熱塑性復(fù)合材料開(kāi)發(fā)

市場(chǎng)上有不同種類(lèi)的熱塑基體復(fù)合材料，但由于汽車(chē)行業(yè)對(duì)于成本的敏感性，連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料（CFRTP）由于其成本上的競(jìng)爭(zhēng)力受到格外關(guān)注。結(jié)合現(xiàn)在電芯技術(shù)往安全性能更高的方向發(fā)展，電芯種類(lèi)和布置的多樣性發(fā)展，CFRTP有機(jī)會(huì)成為電池盒上蓋材料的重要選材之一。

圖源：ASANO

連續(xù)玻璃纖維（GF）增強(qiáng)聚丙烯（PP）復(fù)合材料首先將連續(xù)玻璃纖維紗和聚丙烯樹(shù)脂通過(guò)熔融浸漬法（圖1）制備成單向帶（UD），然后將不同角度的帶材鋪層堆疊（圖2），通過(guò)雙鋼帶帶壓的方式（圖3）制備成層合板。

阻燃劑對(duì)于CFRTP材料性能的影響

由于聚丙烯樹(shù)脂（PP）本身含有鏈烷烴導(dǎo)致聚丙烯本身非常易燃，而電池盒上蓋要求材料具備一定的阻燃等級(jí)，所以需要在聚丙烯復(fù)合材料中添加阻燃劑以提高材料的阻燃性。開(kāi)發(fā)四種不同阻燃等級(jí)的CFRTP材料，結(jié)果如表2。

表2 不同阻燃等級(jí)的CFRTP材料性能對(duì)比

從表2可以看出，隨著阻燃等級(jí)的提高，材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均有下降。其中，拉伸強(qiáng)度和模量最大的下降出現(xiàn)在非阻燃到UL94 V2級(jí)別，后續(xù)UL94 V2到V0級(jí)別，拉伸強(qiáng)度和模量只是略微下降。

阻燃劑對(duì)于拉伸性能的影響主要是引起玻纖填充量的下降，進(jìn)而導(dǎo)致材料拉伸性能下降，不同類(lèi)型阻燃劑的拉伸性能區(qū)別不大，但是無(wú)鹵阻燃劑對(duì)于密度的影響較小。

不同類(lèi)型阻燃劑對(duì)于材料耐濕熱老化后性能的影響

電池盒上蓋在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)需要承受濕熱環(huán)境。對(duì)阻燃等級(jí)UL94V0兩種不同類(lèi)型阻燃添加劑的材料進(jìn)行耐濕熱老化測(cè)試，測(cè)試條件為溫度85℃、相對(duì)濕度85%，老化周期為1000h，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T2423.50-2012《環(huán)境試驗(yàn)第二部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)恒定濕熱主要用于元件的加速試驗(yàn)》，然后進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，參考標(biāo)準(zhǔn)ISO527-4《各向異性纖維增強(qiáng)塑料的拉伸性能》，結(jié)果如表3。

表3兩種類(lèi)型阻燃劑方案耐濕熱老化

1000h后的拉伸強(qiáng)度保留率

從上述結(jié)果可以看出，無(wú)鹵阻燃V0材料耐濕熱老化后的強(qiáng)度保留率低于有鹵阻燃V0材料，可以得知耐濕熱老化對(duì)于無(wú)鹵體系的CFRTP材料拉伸性能影響較大。

不同類(lèi)型阻燃劑對(duì)CFRTP材料火燒性能的影響

對(duì)CFRTP板材進(jìn)行火燒測(cè)試來(lái)判斷CFRTP材料的防火性能，對(duì)兩種不同類(lèi)型阻燃劑的V0級(jí)別CFRTP材料進(jìn)行火燒測(cè)試，測(cè)試條件：1200±100℃,噴嘴距離板材20cm，火燒壓力氧氣0.5Mpa，丙烷0.07Mpa，具體火燒過(guò)程見(jiàn)圖4，火燒后板材的結(jié)果見(jiàn)圖5，火燒過(guò)程見(jiàn)表4。

表4兩種類(lèi)型阻燃劑V0阻燃CFRTP材料的火燒結(jié)果

從火燒結(jié)果來(lái)看，雖然兩款材料都達(dá)到了阻燃V0等級(jí)，但是實(shí)際板材模擬的火燒結(jié)果存在一定的差異，無(wú)鹵阻燃V0的材料的火燒結(jié)果表現(xiàn)明顯優(yōu)于有鹵阻燃V0的材料，一方面是燒穿時(shí)間長(zhǎng)2min。另一方面，從圖5可以看出，無(wú)鹵阻燃的燒蝕情況明顯優(yōu)于有鹵材料，并且燒穿的孔洞非常小。

目前這個(gè)測(cè)試的條件較為苛刻，不論從火燒的溫度和火燒的壓力都高于市面上做的火燒測(cè)試，但根據(jù)不同電芯熱失控的溫度來(lái)看，上述測(cè)試比較貼近高鎳三元鋰的熱失控表現(xiàn)，如果是磷酸鐵鋰電芯的話(huà)，噴射溫度預(yù)估只有600~650℃,明顯低于這個(gè)測(cè)試的條件。

因此，從火燒的結(jié)果來(lái)看，CFRTP材料相對(duì)來(lái)說(shuō)更適合磷酸鐵鋰電芯，當(dāng)然后續(xù)還需要進(jìn)一步對(duì)CFRTP材料進(jìn)行600℃的火燒測(cè)試，來(lái)確認(rèn)是否滿(mǎn)足性能。對(duì)于三元鋰電芯，從目前測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，燒穿的時(shí)間較短，還需要進(jìn)一步提高火燒性能。

綜合從火燒的結(jié)果來(lái)看，無(wú)鹵阻燃體系CFRTP材料性能優(yōu)于有鹵體系，后續(xù)需要針對(duì)無(wú)鹵體系CFRTP材料進(jìn)行600℃的火燒性能表征來(lái)確認(rèn)是否滿(mǎn)足磷酸鐵鋰電芯的熱失控。

參考資料：連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料電池包上蓋，林新耀等，吉利汽車(chē)研究院（寧波）有限公司

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