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氮化硼及其在动力电池导热胶中的应用

2021-07-17 03:03:39

一、动力电池导热胶


导热胶应用在动力电池组装中对提升动力电池性能和安全性,在多个方面发挥作用。导热胶的使用目的大体分为四类:(1)固定、(2)传热、(3)阻燃、(4)防震,而导热胶的具体使用形式主要为:(1)垫片、(2)灌封、(3)填充等。氮化硼


在热设计中往往需要考虑电池充放电功率与发热量和散热能力之间的平衡问题。锂电池的性能对温度极其敏感,获得适当的工作温度,对充分发挥电池性能,维护合理电池寿命都有重要意义。合理选择热传递介质,不仅要考虑其热传递能力,还要兼顾生产中的工艺、维护操作性、优良的性价比等因素。(如图1所示动力电池)                                                    

氢氧化硼

图1 电动汽车用动力电池


二、导热胶的组成与导热机理


导热胶主要由EP(环氧树脂)、有机硅橡胶和PU(聚氨酯)等树脂基体和导热填料组成。导热填料的种类、用量、几何形状、粒径、混杂填充和改性等对导热胶之导热性能都有影响。


导热胶的导热原理:固体内部导热载体主要为声子或者电子(在介电体中,导热是通过晶格的振动来实现的,晶格振动的能量是量子化的,这种晶格振动的量子称为声子)。无机非金属晶体通过排列整齐的晶粒热振动导热,通常用声子的概念来描述;由于非晶体可看成晶粒极细的晶体,故非晶体导热也可用声子的概念进行分析,但其热导率远低于晶体;大多数聚合物是饱和体系,无自由电子存在,因此,在胶粘剂中加入高导热填料是提高其导热性能的主要方法。导热填料分散于树脂基体中,彼此间相互接触,形成导热网络,使热量可沿着“导热网络”迅速传递,从而达到提高胶粘剂热导率的目的,如图2所示。


图2填料形成网络和没有形成网络导热胶导热示意图


三、六方氮化硼(h-BN)材料的特性


氮化硼(BN)是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼(B)和56.4%的氮(BN),具有四种不同的变体:六方氮化硼(H-BN)如图3、菱方氮化硼(R-BN)、立方氮化硼(C-BN)和纤锌矿氮化硼(W-BN)。其中六方氮化硼材料具有:


☆  较高的机械强度、高熔点、高热导率,


☆  极低的摩擦系数,


☆  良好的绝缘体,


☆  六方氮化硼可以在空气中经受住800℃的高温,


☆  六方氮化硼可以制备成类似石墨烯的二维结构,称之为“白色石墨烯”,具有类石墨烯的优异性能。


因此,六方氮化硼是极佳的导热胶填充材料,目前被广泛地应用于动力电池导热胶领域。


四、六方氮化硼导热胶的应用范围


将六方氮化硼作为导热胶的填料使用,充分利用六方氮化硼的高热导率和高绝缘特性。为了适合各种环境要求,对可能出现的导热问题都有妥善的对策,六方氮化硼导热胶有非常多的应用类型,其在动力电池导热胶的主要应用范围如下:


1.相变导热绝缘材料


利用基材的特性,在工作温度中发生相变,从而使材料更加贴合接触表面,同时也获得了超低的热阻,更加顺畅的进行热量传递,可用于填充模组间隙,向模组外部传递热量。


2.热传导胶带


用在发热器件与散热器之间的粘接,能同时实现导热、绝缘和固定的功能,能减小设备的体积,是降低设备成本的一项选择。


3.导热绝缘弹性橡胶


良好的导热能力和高等级的耐压,符合目前电子行业对导热材料的需求,是替代硅脂导热膏加云母片的二元散热系统的产品。该类产品安装便捷,利于自动化生产和产品维护,是极具工艺性和实用性的新型材料。


4.柔性导热垫


一种有较厚的导热衬垫,专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产,能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位的热传递,同时还能起到减震、绝缘、密封等作用,这个就很适合电池模组内部的应用。


5.导热填充剂


也可以作为导热胶使用,不仅具有导热的功效,也是粘接、密封灌封材料。通过对接触面或罐状体的填充,传导发热部件的热量。圆柱电池模组是典型应用了。


6.导热绝缘灌封胶


导热绝缘灌封胶适用于对散热性要求高的电子元器件的灌封。该胶固化后导热性能好,绝缘性优,电气性能优异,粘接性好,表面光泽性好。只是胶用量太大的话,电池包能量密度会被拉低。


五、影响导热胶性能的因素


填充型胶粘剂的热导率主要取决于树脂基体、导热填料及两者形成的界面,而导热填料的种类、用量、粒径、几何形状,混杂填充及表面改性等因素均会对胶粘剂的导热性能产生影响。


1.导热填料的种类和用量


填料种类和用量均会对胶粘剂热导率产生影响。当填料较少时,填料被基体树脂完全包裹,绝大多数填料粒子之间未能直接接触;此时,胶粘剂基体成为填料粒子之间的热流障碍,抑制了填料声子的传递,故不论添加何种填料都不能显著提高胶粘剂的热导率。随着填料用量的增加,填料在基体中逐渐形成稳定的导热网络,此时热导率迅速增加,并且填充高热导率填料更有利于提高胶粘剂的热导率。然而,填料的热导率过大也不利于体系热导率的提高。研究表明:当填料与基体树脂的热导率之比超过100时,复合材料热导率的提高并不显著。


2.导热填料的粒径和几何形状


当填料用量相同时,纳米粒子比微米粒子更有利于提高胶粘剂的热导率。纳米粒子的量子效应使晶界数目增加,从而使比热容增大且共价键变成金属键,导热由分子(或晶格)振动变为自由电子传热,故纳米粒子的热导率相对更高;同时,纳米粒子的粒径小、数量多,致使其比表面积较大,在基体中易形成有效的导热网络,故有利于提高胶粘剂的热导率。对微米粒子而言,填料用量相同时大粒径的导热填料比表面积较小,不易被胶粘剂包裹,故彼此连接的概率较大(更易形成有效的导热通路),有利于胶粘剂热导率的提高。


当填料用量相同时,不同几何形状的同种填料在基体中形成的导热网络概率不同,较大长径比的导热填料更易形成导热网络,从而更有利于提高基体的热导率。


3.导热填料的混杂填充


与单一粒径的填料填充体系相比,不同粒径大小、同种填料的混杂填充更有利于提高胶粘剂的热导率。同种填料不同形态的混杂填充比单一球形填料填充更易获得高热导率的胶粘剂。不同种类的填料在适当配比时,混杂填充亦优于单一种类填料填充。这归因于上述混杂填充均较易形成紧密堆积结构,而且混杂填充时高长径比粒子易在球形颗粒间起到架桥作用,从而减小了接触热阻,进而使体系具有相对更高的热导率。


4.导热填料的表面改性


无机粒子和树脂基体界面间存在极性差异,致使两者相容性较差,故填料在树脂基体中易聚集成团(不易分散)。另外,无机粒子较大的表面张力使其表面较难被树脂基体所润湿,相界面间存在空隙及缺陷,从而增大了界面热阻。因此,对无机填料粒子表面进行修饰,可改善其分散性、减少界面缺陷、增强界面粘接强度、抑制声子在界面处的散射和增大声子的传播自由程,从而有利于提高体系的热导率。


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