74 《 质量与认证》2019·5
文／卢文婷 程修妍 郑妙生
[摘要] 本文主要分析了目前新能源汽车动力电池领域的结构胶使用情况，从对胶粘剂的性能要求，安全性指标等方面，结合目前国标对于动力电池包和电池系统的要求，提出了动力电池结构胶应该具备的性能和测试方法，为下一步建立动力电池结构胶评价体系和起草行业规范或标准提供了重要参考。
[关键词]
动力电池 结构胶 胶粘剂标准
动力电池相当于传统燃油车的发动机，是新能源汽车的“心脏”。电池成本占整车的50%左右，其生产技术、品质、安全性等因素，直接影响到整车的性能与安全。
动力电池80%以上的体积由有机化学材料组成，因此如何有效地开展动力电池相关材料的安全性测试和评价也变得尤为迫切。目前关于电池安全性和标准的研究比较丰富[1,2]，但研究动力电池用胶和标准方面的研究不多。本文结合目前动力电池领域的标准体系，对动力电池用结构胶性能和安全性测评方法进行分析和总结，希望能够为建立更加科学的定量测试与评价标准提供有益借鉴和参考。
一、动力电池用胶介绍
在锂离子动力电池及系统的生产中，胶粘剂有着广泛的应用。如电芯内部的羟甲基纤维素钠粘结剂，
电芯绝缘膜的背部涂覆压敏胶，模组散热用的水冷板导热胶，电池包壳体密封胶等等。本文讨论的是在电池组装过程中起到关键作用的结构胶。结构粘接指的是被粘接物可能承受较大的压力甚至达到材料的屈服极限。结构粘接寿命必须大于其中一个被粘接物的服役期限，有可能长达数十年。结构胶在动力电池中以方形电芯的装配应用最为广泛。
业内关于安全性的国标主要采用“G B/T 31485电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法” 和“GB/T 31467.3 电动汽车用锂离子
动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法”[3]。前者侧重于电芯单体，后者侧重于模组、电池包和系统。由于结构胶产品的特殊性，应该以国标为基础，制定更详细更贴合的结构胶评价标准，供电池设计人员或生产厂商在选型和生产时选用参考。
二、结构胶基础性能指标
1.粘接性能与评价
结构胶粘接电芯或者模组完成之后，很难通过外部观察查看粘接的情况，因此一般采用与结构胶接触部位同样的材料制成样片，按照标准要求粘接固化之后，进行破坏性实验，来考察粘接的强度和粘接效果，试样制作见图1。
【DOI】10.16691/jki.10-1214/t.2019.05.010
标准
《质量与认证》2019 ·5 75
接头的强度和接头的破坏形式都是评价粘接的关键指标。胶粘剂或被粘基材的内聚破坏是理想的破坏形式，因为在这种情况下达到了接头处材料的最大强度。运行中的环境因素能够从多方面降低胶粘接头的强度。当不止一种环境因素（例如加热、潮气）作用在样件上时，它们能够产生更强的协同效果来降低胶粘剂强度。
表1中列出了几种常见的用于电芯或模组固定的阻燃型结构胶强度，及粘接常见材料的破坏形式。另外一个指标为胶的断裂伸长率，表示胶粘剂样条断裂时的最大变形量，一定程度是胶体弹性的反应。
2.基础施胶性能
除了最重要的粘接性能，结构胶的施胶工艺参数也很重要。目前电池行业应用的基本都是双组份结构胶。双组份产品的可操作时间与初固时
间均应有相应的规定，以满足电
池产线大规模生产带来的效率要
求。此外，胶体本身的粘度，胶线的触变性和流淌性都需要根据具体的使用工况进行确定。
三、结构胶与动力电池国标安全性要求
在G B/T 31467.3（下称“国标”）中，对电池包和电池系统的安全性做出了具体的要求，结构胶作为电池包中的一个关键原材料，也应该在满足这些安全性要求的基础上，针对结构胶本身的特殊性能进行一些具体的要求。
1.振动测试与有限元分析
国标中最首要的要求是对耐振动性能的要求。结合表1中对结构胶性能的测试，再结合一些有限元分析的手段，进行振动试验
的一些模拟测试，以此来初步评估所选用的结构胶是否符合相应的设计要求，大大降低了成本，节约了评估周期。
以方形电芯粘接为例，采用一个小模组进行建模，如图2所示，模组含9个方形电芯，之间采用弹性结构胶S 进行粘接。单个电芯尺寸148×97×27m m，单体重800g，涂胶厚度0.5m m。结构胶密度1.3g/c m 3，杨氏模量取2.0M P a，泊松比0.497。
[4,5]
由于电池之间的结构胶厚度较
小，为准确捕捉其内部应力情况，网格最小尺寸设置为0.1m m。整个模型工包含八节点实体单元436304个。
采用国标中安全测试的振动功率谱对电池组进行随机载荷加载，对结构胶的应力进行考察，随机载荷功率谱密度曲线如图3所示。首先施加X方向的振动载荷，提取9个电池中间的8个结构胶内部应力S11分量分布图。锁定每个共振频率下结构胶响应最大的网格作为观察点，提取其六个应力分量，求出Mises应力，在X方向载荷功率谱作用下，应力最大值为35.81Pa，最大应力位置为中心电池两侧的结构胶短边。
采用同样的方式施加Y方向和Z 方向的振动载荷，可以计算出，在Y方向应力最大值为118.54P a，最
大应力位置为中心电池两侧的结构胶长边。Z方向应
力最大值为301.79Pa，最大应力位置为中心电池两侧的结构胶长边。
2.机械性能
此外国标中还对电池包
图1 剪切强度粘接示意图
断裂伸长率15%5%8%150%
剪切强度PET-PET 2.5 MPa 1.8 MPa 1.8 MPa 1.5 MPa
表1 各类型结构胶典型性能参数
胶牌号结构胶A 结构胶E 结构胶P 结构胶S
化学类别丙烯酸环氧聚氨酯有机硅
破坏形式Al-Al C50*C0C0C100
破坏形式PET-PET C10C0C0C100
剪切强度Al-Al 18.0 MPa 15.0 MPa 7.0 MPa 1.5 MPa
注：*C代表内聚破坏，例如C50代表内聚破坏占比50%，C100代表内聚破坏占比100%.
76 《 质量与认证》2019·5
的耐冲击、跌落、翻转、碰撞、挤压等提出了具体的要求。结构胶要帮助电池包实现这些性能，还应该具有一定的抗压缩性能，以满足电池包在受到外力或者挤压以及自身充放电膨胀收缩时，给胶体带来的压力和冲击。
通过制作不同类别结构胶的圆柱样条，直径2m m ，进行压缩测试，记录不同压力下的变形量和样条外观，来评估不同产品的抗压缩性能，具体见表2。
3.环境实验评价
持续的负载能够引起胶粘剂的
汽车安全性服役失效，特别是在加热或者有潮气的作用下。因此评估结构胶在加速老化下的性能表现也十分重要。
国标中列出了对电池包耐温度冲击和耐湿热循环的要求，结合结构胶本身的特点和在其他行业的应用经验，建议对胶接后的剪切强度试片采取以下两种类型的环境测试。
冷热冲击：低温：-40℃，时
间：30m i n；高温：85℃，时间：30min；中间转换在30min内。
湿热循环：温度：85℃，湿度：85%RH。
温度的冲击循环以及湿热循环都会对基材的表面以及结构胶本身产生影响，造成粘接强度的衰减以及粘接破坏形式的变化。
4.其他性能要求
（1）阻燃性能: 电动汽车的防火阻燃非常重要，电动车着火的案例现在也有时见诸报端，给驾驶员生命带来了威胁。结构胶本身不带电工作，不会主动燃烧，但好的阻燃效果能够对提升电池包整体安全性有一定帮助。
（2）电学性能：结构胶属于高分子材料，本身就具有良好的绝缘和耐电击性能。一般通过体积电阻率和击穿电压等指标来评估结构胶的电学性能。
四、结语
根据国际能源署(I E A)的数
据，2017年全球纯电动轿车和插
电式混合动力轿车保有量超过300万辆，比2016年
变形5%5%70%
变形2%2%45%
表2 各类型结构胶压缩测试
胶牌号结构胶E 结构胶P 结构胶S
压力100N
压力300N
压力600N
变形0%0%30%
图 2 方形电池模组有限元模型
图 3 振动测试功率谱密度曲线增加54%。2018年中国动力电池装机量达到56.9 G W h，同比增速高达56.3%，预计未来动力电池市场还有十倍的成长空间。电池以及整体新能源汽车的安全性，是一个与时俱进的严峻课题。在电池包和电池系统中，对类似于结构胶这种关键原料进行深入研究，建立一套完整的系统性评估体系，对于整个行业的技术进步和安全预防升级，有着非常重要的现实意义。
[参考文献]
[1] 连丽玲. 动力电池标准体系探析[J].中国标准化, 2017(8) : 20-21.
[2] 王 芳，林春景，刘 磊等. 动力电池安全性的测试与评价[J]. 储能科学与技术, 2018(6) : 967-971.
[3] GB/T 31467.3－2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分：安全性要求与测试方法[S].
[4] LEE A. Measuring the Effective Young’s Modulus of Structural Silicone Sealant in Moment-Resisting Glazing Joints[J]. Construction & Building Materials, 2018(181), 510-526.
[5] L A N C K E B. M a t e r i a l Properties of a Structural Silicone for Linear Adhesive Glass-Metal C o n n e c
t i o n s[C]. C o n f e r e n c e on Architectural and Structural Applications of Glass Belis, Bos & Louter. 2016, 6.
（作者单位：卢文婷，中国质量认证中心 ；程修妍，北京理工大学宇航学院赵海川；郑妙生，铠博新材料(天津)有限公司）
标准
发布评论