據(jù)為全球汽車行業(yè)服務(wù)的網(wǎng)站W(wǎng)ardsAuto.com報(bào)道，2022年3月全球交付的汽車中，近四分之一是電動(dòng)汽車。盡管存在疫情影響、面臨供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)、缺乏充足的充電基礎(chǔ)設(shè)施以及消費(fèi)者不愿意接受混合動(dòng)力和蓄電池電動(dòng)汽車等不利因素，汽車電動(dòng)化的步伐仍在加快。上述消費(fèi)者的態(tài)度是由于較高的標(biāo)價(jià)、對(duì)行駛里程的擔(dān)憂以及充電方面的問題。盡管如此，電動(dòng)汽車在全球新乘用車銷量中的占比從2019年的2.5%增長(zhǎng)到2022年第一季度的近25%，這確實(shí)是一個(gè)了不起的成就。

高電壓電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的箱體需要平衡一些復(fù)雜的要求。首先，它們必須提供長(zhǎng)期的力學(xué)性能，包括扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度等，以便在電池組壽命期間承載沉重的電池，同時(shí)保護(hù)電池免受腐蝕、石子撞擊、灰塵和濕氣侵入以及電解液泄漏的影響。在某些情況下，電池箱體還需能夠防止靜電放電和來自附近系統(tǒng)的電磁干擾/射頻干擾。

其次，在發(fā)生碰撞時(shí)，箱體必須保護(hù)電池系統(tǒng)，防止撞碎、刺穿或因水/濕氣進(jìn)入而引起短路。第三，電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)必須有助于在各種天氣下充電/放電期間將各單格電池保持在理想的熱運(yùn)行范圍內(nèi)。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，它們還必須盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持電池組不接觸火焰，同時(shí)保護(hù)車輛乘員免受電池組內(nèi)部熱失控產(chǎn)生的熱量和火焰的影響。此外，還存在重量對(duì)行駛里程的影響、電池堆疊公差對(duì)安裝空間的影響、制造成本、可維護(hù)性和使用期滿的回收等諸多挑戰(zhàn)。以下是幾家材料供應(yīng)商如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的概況。

英力士

作為多種樹脂和添加劑的長(zhǎng)期供應(yīng)商，美國(guó)英力士復(fù)合材料公司（INEOS Composites US LLC）的材料自2011年起就用于北美洲混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的SMC（片狀模塑料）蓄電池箱蓋中，并在中國(guó)市場(chǎng)中供多個(gè)平臺(tái)的蓄電池箱蓋使用。

英力士復(fù)合材料運(yùn)輸市場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Dan Dowdall解釋說：“原始設(shè)備制造商正在為電動(dòng)汽車蓄電池箱快速開發(fā)更精細(xì)的性能和材料規(guī)范，其中大多數(shù)涉及阻燃要求或碰撞保護(hù)?！薄盀榱藨?yīng)對(duì)這些不斷變化的要求，我們最近推出了一種新的高性能、低成本的樹脂體系A(chǔ)rotran 2502，專為SMC蓄電池箱體而設(shè)計(jì)。該樹脂具有高強(qiáng)度和高耐熱性。其在復(fù)合過程中的優(yōu)異浸透性和流動(dòng)性使其更容易獲得更高的玻璃纖維或碳纖維加入量以達(dá)到優(yōu)異強(qiáng)度和剛度，更高的礦物填料加入量以降低成本或提高阻燃性能，或更高的玻璃微珠加入量以減輕制件重量。此外，由它制成的SMC流動(dòng)性良好，可填充復(fù)雜的制件輪廓，從而實(shí)現(xiàn)更好的零件集成，使電池組的體積效率更高?！?/p>

該公司報(bào)告說，使用新材料的SMC在2.0mm的厚度下通過了UL 94 5VA測(cè)試，而一些基于不飽和聚酯和乙烯基酯的SMC配方在該厚度下失敗，并且這種新SMC在其他火焰試驗(yàn)中也表現(xiàn)良好。在熱重分析（TGA）測(cè)試中，Arotran 2502樹脂比傳統(tǒng)的不飽和聚酯和乙烯基酯樹脂能更好地抵抗熱降解。即使在要求苛刻的UL箱熱失控試驗(yàn)中，用Arotran 2502制造的SMC也顯示出非常好的結(jié)果。據(jù)說正在進(jìn)行的工作重點(diǎn)是改善加工、成本、性能和可持續(xù)性。

Dowdall補(bǔ)充說：“對(duì)于電動(dòng)汽車蓄電池箱體，一個(gè)重要的研發(fā)目標(biāo)是用于特制預(yù)制體的樹脂，以獲得更高的力學(xué)性能。我們還積極與技術(shù)合作伙伴合作，研發(fā)防電磁干擾/射頻干擾薄氈和氈，以滿足箱體不斷發(fā)展的電子屏蔽要求。”

佳斯邁威

美國(guó)佳斯邁威公司（Johns Manville）生產(chǎn)絕熱材料、屋面材料和工程產(chǎn)品，包括用于各種復(fù)合材料的玻璃纖維無捻粗紗。去年秋天，該公司用陰離子聚合己內(nèi)酰胺制造品名為Neomera的聚酰胺6（PA6）基有機(jī)片材。最初的有機(jī)片材產(chǎn)品是用玻璃纖維機(jī)織物和無屈曲織物增強(qiáng)，但據(jù)說其他類型的織物甚至較長(zhǎng)的短切纖維（玻璃纖維或碳纖維或兩者兼用）也在開發(fā)之中，并即將推出。

用己內(nèi)酰胺單體而不用完全聚合的PA6聚合物浸漬增強(qiáng)材料的好處是粘度低得多，因此有機(jī)片材具有優(yōu)異的纖維浸透性和更高的纖維體積分?jǐn)?shù)。這使復(fù)合材料制件獲得更高的剛度、強(qiáng)度和抗沖擊性。據(jù)報(bào)道，由于玻璃纖維/PA6復(fù)合材料的韌性，該材料被用于多種汽車用途，包括蓄電池箱體。

據(jù)介紹，佳斯邁威一直在與德國(guó)Forward工程公司的美國(guó)辦事處合作。Forward工程公司是一家全球性運(yùn)輸設(shè)計(jì)和工程咨詢公司，在設(shè)計(jì)和檢測(cè)蓄電池箱體方面具有專長(zhǎng)。它對(duì)佳斯邁威的全熱塑性復(fù)合材料箱體設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的機(jī)械和碰撞模擬。

Forward工程公司北美區(qū)總經(jīng)理Adam Halsband說：“在過去四年中，我們看到對(duì)我們的高電壓蓄電池箱體開發(fā)的需求急劇增加?！?“早期我們的工作重點(diǎn)是復(fù)合材料密集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和模擬，目標(biāo)是獲得最高的碰撞性能和減重效果，而最近我們的重點(diǎn)已擴(kuò)展到熱失控性能、電磁兼容性的管控以及單格電池和電池組的環(huán)境保護(hù)。”

朗盛

德國(guó)朗盛公司（Lanxess AG）生產(chǎn)多種形式的熱塑性復(fù)合材料：短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料粒料、織物或單向玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)有機(jī)片材。去年年底朗盛宣布與汽車行業(yè)供應(yīng)商Kautex Textron 公司合作，探索使用熱塑性復(fù)合材料替代大型電動(dòng)汽車蓄電池箱體上的鋼和鋁。這兩家公司不僅研制了全熱塑性復(fù)合材料電池箱體技術(shù)示范品，而且將預(yù)測(cè)性能與近批量生產(chǎn)部件的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該技術(shù)。

合作目標(biāo)是展示一種中型轎車之1400 x 1400mm電池箱體用的復(fù)合材料在減少質(zhì)量、降低成本、集成功能和電氣絕緣方面的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)包括與防撞結(jié)構(gòu)和車底護(hù)板相連的蓄電池底盤和蓄電池蓋子。部件由Durethan B24CHM2.0品牌長(zhǎng)玻璃纖維直接增強(qiáng)PA6（D-LFT）壓塑而成，這種一步法工藝非常適合快速生產(chǎn)大型部件，成本具有競(jìng)爭(zhēng)力。底盤的防撞結(jié)構(gòu)采用Tepex dynalite品牌連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)PA6局部增強(qiáng)，以滿足此用途非常高的結(jié)構(gòu)要求。據(jù)報(bào)道，此箱體已通過ECE R.100外部防火試驗(yàn)。

全熱塑性復(fù)合材料蓄電池底盤和蓋子 （來源: Kautex Textron）

合作項(xiàng)目的結(jié)果表明：與Kautex生產(chǎn)的商用鋁箱體相比，熱塑性復(fù)合材料箱體減少了達(dá)15%的質(zhì)量、20%的成本和45%的二氧化碳足跡，同時(shí)提供了結(jié)構(gòu)性能、整體熱管理和便于組裝的嵌塑硬件。

三菱化學(xué)

日本三菱化學(xué)集團(tuán)公司（Mitsubishi Chemical Group Corp.， MCG）擁有多種復(fù)合材料技術(shù)，尤以碳纖維技術(shù)聞名。在熱塑性材料方面，該公司提供的材料包括：可注塑的短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（PP）和超短碳纖維增強(qiáng)工程樹脂、用玻璃纖維或玄武巖纖維增強(qiáng)PP、PA6或PA6/6的可壓塑GMT/有機(jī)片材、采用新型干浸漬技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料等。在熱固性材料方面，該公司生產(chǎn)碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維和混合纖維單向帶、機(jī)織物、預(yù)浸料以及碳纖維SMC（CF-SMC）和開纖CFSMC。

該公司的許多材料用于全球電動(dòng)汽車的復(fù)合材料蓄電池箱，包括其GMT（玻纖氈增強(qiáng)熱塑性塑料片材）和GMTex材料，這些材料已用于日本和歐洲的電動(dòng)汽車。

研發(fā)能夠承受熱失控條件的材料是該公司的一個(gè)重點(diǎn)。相關(guān)人士說：“在熱失控情況下，電池箱蓋占據(jù)中心位置，因?yàn)樗潜Ｗo(hù)乘客的關(guān)鍵?！薄半姵叵浔仨毐３趾芨叩慕Y(jié)構(gòu)性能，以抵抗沖擊載荷并防止電池?fù)p壞，以防熱失控。如果發(fā)生熱失控，電池箱蓋必須能夠耐受高溫（通常超過800 ℃）以及電池?fù)p壞產(chǎn)生的顆粒和動(dòng)能。我們不僅充分表征現(xiàn)有材料，而且還在開發(fā)新的多功能材料，以抵御熱失控，例如用于蓄電池箱的新型阻燃熱塑性復(fù)合材料，可耐受1000 ℃火焰5 min以上?！?/p>

沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（SABIC）

沙特阿拉伯的SABIC經(jīng)營(yíng)石化產(chǎn)品、化學(xué)品、聚合物、肥料和金屬等。該公司的特色產(chǎn)品業(yè)務(wù)部生產(chǎn)多種樹脂、配混料和添加劑；其石化產(chǎn)品業(yè)務(wù)部的知名產(chǎn)品有短纖維和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚丙烯、聚碳酸酯、苯乙烯類、熱塑性聚酯或共混物。

SABIC的特色產(chǎn)品業(yè)務(wù)部報(bào)告稱，其改性聚苯撐醚（MPPE）用于混合動(dòng)力汽車的電池箱蓋已有一段時(shí)間。為了滿足蓄電池電動(dòng)汽車的更高要求，該集團(tuán)在其Noryl和LNP特種配混料中開發(fā)了幾種新材料，例如：LNP Konduit，具有無鹵阻燃性加上低介電常數(shù)/介電損耗因數(shù)，用于單格電池座框和蓋子，以利射頻信號(hào)透過；LNP-Faradex配混料，使用金屬纖維，以滿足電磁干擾屏蔽要求；以及LNP Stat-Kon配混料，用于雷達(dá)吸收。

而據(jù)SABIC的石化產(chǎn)品業(yè)務(wù)部介紹，其材料也用于許多混合動(dòng)力汽車和蓄電池電動(dòng)汽車的蓄電池箱。該公司提供了高阻燃的短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（PP）材料，該材料于去年年底亮相，用在日本本田汽車公司供給中國(guó)市場(chǎng)的混合動(dòng)力汽車的電池箱蓋上，據(jù)稱這是行業(yè)最大的電池箱蓋之一。將無鹵的PP配混料調(diào)制成在遇到火焰時(shí)能形成膨脹結(jié)焦層，這種結(jié)焦行為導(dǎo)致自熄性，使其成為第一個(gè)通過中國(guó)嚴(yán)格的GB 18384-2020阻燃規(guī)范的蓋子。與需要隔熱層的金屬箱體相比，注射成型的熱塑性材料蓋子減少了40%的重量，有助于延長(zhǎng)汽車行駛里程。功能的集成簡(jiǎn)化了組裝工序并降低了成本。此外，該制品可以在使用期滿時(shí)完全回收，并具有較小的CO2足跡。

1.6×1.4m電池箱蓋的頂側(cè)（上）和底側(cè)（下），用短玻纖增強(qiáng)PP制成（來源：SABIC）

SABIC高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理Dhanendra Nagwanshi解釋說：“隨著在電動(dòng)汽車蓄電池設(shè)計(jì)上的合作增多，我們看到材料組合正在發(fā)生變化。”“我們認(rèn)為阻燃熱塑性材料可能會(huì)在材料組合中占據(jù)更大的份額，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┚薮蟮膬?yōu)勢(shì)，包括固有的絕熱和電絕緣性能、膨脹特性、輕重量和零件集成性，這有助于降低成本。此外，它們是可回收、可重復(fù)使用的，并且它們降低了環(huán)境影響——這不僅因?yàn)闇p輕了重量，而且還因?yàn)榻档土藴厥覛怏w排放量約10%～15%。熱塑性材料在電動(dòng)汽車蓄電池領(lǐng)域的前景光明?！?/p>

索爾維

比利時(shí)索爾維公司（Solvay SA）擁有全球制造足跡，生產(chǎn)樹脂和聚合物、結(jié)構(gòu)膠粘劑和表面產(chǎn)品、熱固性和熱塑性復(fù)合材料、碳纖維、復(fù)合材料模具和輔助材料。十多年來，該公司一直為蓄電池箱提供阻燃預(yù)浸料——玻璃纖維或碳纖維與環(huán)氧樹脂制成的預(yù)浸料。

索爾維最近與英國(guó)一家汽車設(shè)計(jì)和工程咨詢公司Ricardo Plc合作，進(jìn)行一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)和模擬項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，對(duì)用阻燃復(fù)合材料制造的蓄電池箱蓋和底盤進(jìn)行了基準(zhǔn)試驗(yàn)。兩者的主要結(jié)構(gòu)可采用環(huán)氧樹脂或聚苯硫醚（PPS）為基體，用高單位面積質(zhì)量的玻璃布增強(qiáng)，并用單向碳纖維帶局部增強(qiáng)。該團(tuán)隊(duì)不僅想展示復(fù)合材料的輕量化優(yōu)勢(shì)，還意在解決在乘用車中封裝大型蓄電池時(shí)的體積效率問題。

索爾維報(bào)告說，在進(jìn)行此設(shè)計(jì)項(xiàng)目的同時(shí)，它還一直致力于電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的材料表征研究，該研究被描述為熱固性和熱塑性化學(xué)之間的不可知論。該公司正在評(píng)估阻燃的高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）熱固性樹脂（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來酰亞胺）和熱塑性塑料（聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮），采用各種結(jié)構(gòu)的玻璃纖維和/或碳纖維增強(qiáng)，以查看哪些組合最適用于不同車輛類別以及先進(jìn)空中交通（AAM）飛機(jī)上的特定電池組件。這些材料正在經(jīng)受高結(jié)構(gòu)載荷、破碎、側(cè)面沖擊、侵入、模態(tài)剛度、阻燃性、熱失控、熱擴(kuò)散等試驗(yàn)。

西湖環(huán)氧公司

今年早些時(shí)候，美國(guó)西湖化學(xué)公司收購(gòu)了美國(guó)Hexion 公司的環(huán)氧樹脂業(yè)務(wù)，更名為西湖環(huán)氧公司（Westlake Epoxy）。它是全球領(lǐng)先的特種涂料和復(fù)合材料生產(chǎn)商。其環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂在北美和歐洲的多個(gè)商用電動(dòng)汽車廠商中用來制造復(fù)合材料蓄電池箱蓋、底盤及其他相關(guān)用途，自2023年起，該公司將有5個(gè)以上的大產(chǎn)量項(xiàng)目。

該公司的新型超低甲醛Eponol 06921酚醛樹脂，配上Epikure 06931和06941催化劑，能夠在多種制造工藝中高速生產(chǎn)阻燃復(fù)合材料。因其防熱性能，這種樹脂正被用來制造電動(dòng)汽車蓄電池箱體部件。此外，該公司的Epokote 06710/Epikure 06170環(huán)氧樹脂體系也正通過LCM（復(fù)合材料液體模塑成型）工藝制造大規(guī)格的電動(dòng)汽車蓄電池底盤。

焰燒試驗(yàn)（來源：Westlake Epoxy）

如上圖顯示，西湖環(huán)氧公司的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在1200 ℃下進(jìn)行火焰燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)在8分鐘36秒后停止，沒有把材料燒穿。

該公司的北美汽車業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Stephen Greydanus總結(jié)道：“作為一家樹脂供應(yīng)商，西湖環(huán)氧公司已配制了最新一代酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂體系，它們可用于SMC、LCM、HP-RTM、拉擠成型和其他制造工藝，以覆蓋蓄電池箱中熱固性復(fù)合材料的許多用途?！?/p>