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替代“藍膜”的動力電池絕緣涂層新方案-UV絕緣涂層

為了保證電氣安全，一直以來動力電池的電芯都需要PET“藍膜”來包敷，但是隨著工作電壓和能量密度的大幅提升，這種絕緣

      為了保證電氣安全，一直以來動力電池的電芯都需要PET“藍膜”來包敷，但是隨著工作電壓和能量密度的大幅提升，這種絕緣方案開始掉隊。近一段時間，以BMW為首的多家新能源巨頭開始轉向一種全新的UV絕緣涂層方案，這有望引發動力電池絕緣方案的新一輪升級！
2023年初，BMW發布了一條新聞稿，官宣自家首條電芯噴涂產線正式投入使用。此舉意味著這家歐洲新能源大廠在動力電池的絕緣方案上已經全面轉向了新型UV絕緣涂層材料。而目前在動力電池行業應用最為普遍的電芯“藍膜”方案，或將由此被逐步取代！
  其實所謂“藍膜”，就是一種PET基材背上PSA壓敏膠制成的單面膠帶，因為此類產品以深藍色居多，所以就被人們簡稱為“藍膜”。由于這種薄膜不光絕緣性能好，而且化學抗性和拉伸強度都不錯，因此一直以來都是動力電池電氣絕緣和物理防護應用上最主流的方案。只不過“藍膜”在BMW這里顯然并不受待見，這次他們之所以上馬電芯噴涂產線，意圖就是要將“藍膜”用一種新型的丙烯酸體系UV絕緣涂層方案來替換掉。而這種新型UV絕緣涂層，是BMW和德國涂料廠商Lankwitzer在傳統的UV漆基礎上針對動力電池的絕緣應用耗時數年合作開發出來的新材料。由于這種新型UV涂層在介電強度、化學抗性和機械強度上都做到了向“藍膜”看齊，而且作為UV光固化材料其生產效率也不輸“藍膜”太多，因此就在BMW的新聞稿發布的同時，包括CATL、大眾、沃爾沃等新能源行業巨頭們也都傳出了即將跟進這種全新絕緣方案的消息！那么問題就來了,"藍膜”在電芯的絕緣應用已經發展多年，無論工藝還是供應鏈都已經相當成熟；而全新的UV絕緣涂層方案不僅需要購置產線設備還要經歷產能爬坡，究竟是什么原因驅動BMW如此大費周章地“搞事情”呢？雖然這個問題涉及很多層面，但最為關鍵的一個因素就是“藍膜”的粘接性能太弱了！我們知道，無論是特斯拉的CTB還是寧德時代的CTP，這些賺足眼球的設計都是為了追求更高的輕量化和集成度�；谶@個目的，廠商們在組裝電芯的時候還會舍棄傳統的金屬框架和緊固件，取而代之將結構膠直接涂在“藍膜”上，然后將眾多電芯“粘”成一個整體。
  不過如此一來新的問題就產生了—— 一方面“藍膜”的PSA背膠粘接性能比較有限，基本就處在0.5～2Mpa的水平；另一方面“藍膜”的PET基材屬于低表面能材料，這就讓結構膠在其上產生的粘接強度也只能達到2.0~3.5MPa的中低水平。在這樣的情況之下，當電池組受到外力沖擊，一種可能是結構膠發生界面破壞從“藍膜”上脫落；而更大的可能則是“藍膜”的PSA背膠發生內聚破壞直接讓“藍膜”從電芯外殼上脫落剝離！這個問題在過去雖然也引起過人們的注意，但是早些年絕大多數車型的電壓平臺都沒超過400V，因此這種相對較低的電壓就讓短路擊穿之類的電氣風險處在一個比較可控的范圍。但是隨著這兩年新能源車市場的井噴，各大廠商們開始瘋狂堆料“卷”配置——為了進一步提升續航里程和充電速度，自2022年以來市場上涌現出一大批800V高電壓平臺的新車型！如此大幅的電壓提升讓電芯之間產生電弧或絕緣擊穿的概率大大增加，同時電池系統電壓的一致性也面臨更大挑戰！如果依然沿用“藍膜”無異于給動力電池的安全埋下了一顆定時炸彈！正是在這樣的大背景之下，BMW才不惜血本升級了電芯的絕緣方案，將原來的PET“藍膜”替換成了全新的UV絕緣涂層！
  那么作為一種全新的材料方案，UV絕緣涂層的電氣性能和可靠性究竟如何，是否真如BMW計劃的那樣順利替代“藍膜”呢？針對這個疑問，材料大廠Parker Lord公司以自家的丙烯酸UV絕緣涂層材料Sipiol UV為研究對象，專門發表了一份《電池系統組件的絕緣防護技術白皮書》進行了探討，從中我們可以對這種UV絕緣涂層方案建立起一個大致的認知。這份《白皮書》不僅對“藍膜”和UV絕緣涂層進行了對比，同時還將另外兩種常見的涂層材料——粉末涂料和溶劑型涂料也納入了研究范圍。然后從工藝性、粘接性能、絕緣性能、邊緣覆蓋性等層面對比了四種方案的短板與優勢。由于UV絕緣涂層是一種基于傳統的UV漆開發出來的材料，因此其設備與工藝具有較高的通用性。 Parker Lord《白皮書》中涉及的樣件就是采用了較為常見的HVLP重力式噴槍進行的噴涂。噴涂結束后就是關鍵的UV光固化環節。在UV光源的選擇上，無論是在BMW的產線還是在《白皮書》中都出現了配備H型燈管的Heraeus F300微波無極UV燈。根據《白皮書》中的記錄，當UVA設定為光強1900mW/c㎡、光劑量2300mJ/c㎡時，50-70微米厚度的Sipiol UV涂層可在數秒內完全固化。相較之下，粉末涂層與環氧涂層都需要加熱10~30分鐘才能完成固化。因此從生產效率的角度來看，UV絕緣涂層具備接近于“藍膜”的工藝優勢。粘接性能是大家關注的重點。正如前面提到的，在當今的動力電池Pack設計中電芯組件通常通過結構膠直接粘合在一起。如果“粘不牢”就意味著車載環境下的振動、沖擊將對電池的安全性造成極大威脅！為了進行量化的橫向對比，《白皮書》采用ASTM D1002標準，對經歷了-40°C～100°C熱冷沖擊和85°C / 85%RH老化的四種絕緣方案進行了剪切強度測試。而本次測試選用的結構膠是Parker Lord自家生產的的Fusor® 2098環氧膠。
  在對各個樣件的剪切失效模式進行分析匯總后可以發現： “藍膜”的失效以PSA膠層的內聚破壞為主，體現在應用場景就是“藍膜”比較容易從電池外殼上撕下來；這種情況意味著電芯的絕緣性能已不完整，發生短路的可能性急劇升高，因此以紅色標出。粉末涂層和環氧涂層則存在與結構膠之間發生界面破壞的情況，說明結構膠與涂層之間的粘接強度是薄弱環節；不過此時的涂層依然牢固地附著在電池外殼上絕緣性能未受影響，因此標為黑色。而UV絕緣涂層的表現就比較令人滿意了，所有的失效模式均是涂層本身的內聚破壞，這意味著涂層與結構膠和電池外殼之間的粘接力大于涂層自身的內聚力，從粘接性能的角度來看屬于最理想的效果，因此就以綠色標出。
材料的絕緣性能很重要的一個維度就是介電強度，這個屬性直接關系到動力電池的電氣安全性。從下表中可以看到，在本次評估的四種絕緣方案中，“藍膜”的介電強度最高，UV絕緣涂層次之，而粉末涂層最低。那么具體到動力電池各個組件的絕緣需求，靠近電芯的組件通常需要能夠承受約3kV電壓，而冷卻板之類組件的擊穿電壓則必須高于5kV。因此這次Parker Lord就在《白皮書》中將擊穿電壓及格線設定成了6kV。從下面的曲線就能看出，“藍膜”發揮最為穩定，無論薄厚它的擊穿電壓都維持在10kV以上的高位；而UV絕緣涂層和環氧涂層的膜厚大于100微米之后就能到達及格線；只有粉末涂層，因為本身的介電強度較低，其厚度大于200微米時擊穿電壓才能超過5kV。“藍膜”雖好，但粘接性能是短板，會直接影響到動力電池的安全與可靠性；環氧涂層與粉末涂層的粘接性能相對不錯，但是在生產效率、絕緣性能與邊緣覆蓋性能上存在各自的短板；只有UV絕緣涂層，不僅彌補了“藍膜”的短板，在其它關鍵性能上又優于粉末涂層與環氧涂層，可謂是沒有明顯短板的“五邊形戰士”了！當然，即便UV絕緣涂層如此之好，作為一種全新的應用它的普及必然也不會一帆風順。比如現階段的HVLP噴涂工藝，一方面會造成大量的材料浪費，另一方面又需要額外搭建噴涂車間，這無疑抬高了用戶從“藍膜”轉投UV絕緣涂層的切換成本。針對這個問題，目前已經有設備廠商在配合用戶端嘗試運用打印噴涂的方式替代主流的空氣噴涂工藝。我們有理由相信，一旦這個新工藝開發成功，必然會幫助UV絕緣涂層在動力電池上的應用迎來一輪爆發式增長！

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