目前發(fā)泡硅膠是電池包殼體密封的一大類材料,但不同泡孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡硅膠用于密封時會有不同的結(jié)果:開孔結(jié)構(gòu)發(fā)泡硅膠不能用于防水密封;混合孔結(jié)構(gòu)可以用于防水密封,但不能滿足防潮密封結(jié)果;閉孔結(jié)構(gòu)發(fā)泡硅膠的防水和防潮密封在理想情況下可以達(dá)到理想的效果。因此,制備一種閉孔的發(fā)泡硅膠用于電池包殼體密封或其他防水防潮密封,有廣泛的應(yīng)用。

1、背景介紹

電池包是新能源汽車核心能量源,為整車提供驅(qū)動電能,為保護(hù)電池包內(nèi)部元器件不受灰塵、雨水等侵蝕,電池包的殼體密封必須達(dá)到一定的防塵防水等級。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60529-2013和GB/T4208-2017對電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級要求,目前行業(yè)內(nèi)對電池包在防塵和防水方面要求防護(hù)等級一般達(dá)到IP67或IP68。因此,電池包的防塵、防水密封設(shè)計非常重要。

市場上電池包的殼體密封材料主要有三大類:橡膠密封圈、密封膠和泡棉膠帶,這三類材料各有優(yōu)缺點(diǎn)(見表1)。

表1不同殼體密封材料對比

目前電池包的防塵防水等級已經(jīng)有了嚴(yán)格的界定,但對于防止水氣方面還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。由于空氣中的濕氣容易造成電池包內(nèi)部金屬腐蝕或電路板短路,而進(jìn)入電池包內(nèi)部的濕氣不易排出,因此阻止空氣對流是需要考慮的。由于發(fā)泡硅膠自身的泡孔作用,在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)空氣對流的現(xiàn)象,現(xiàn)單純就發(fā)泡硅膠在電池包殼體密封的應(yīng)用做一個簡單的介紹。

2、發(fā)泡硅膠在殼體密封中的應(yīng)用

發(fā)泡硅膠根據(jù)泡孔結(jié)構(gòu)可分為開孔結(jié)構(gòu)、混合孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu),發(fā)泡硅膠用于電池包殼體密封時都是處于壓縮狀態(tài),以便達(dá)到良好的密封效果。不同泡孔結(jié)構(gòu)在壓縮時產(chǎn)生的變化不同,這三種泡孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡硅膠單獨(dú)用于電池包殼體密封時會有以下效果。

2.1開孔結(jié)構(gòu)

對于開孔結(jié)構(gòu)發(fā)泡硅膠,由于泡孔間相互連通,即使加大使用的壓縮量,也無法將泡孔間形成的通路完全封閉,不能起到防水的作用。因此,為了達(dá)到防水的目的,開孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡硅膠不能用于殼體密封。

2.2混合孔結(jié)構(gòu)

前面提到,使用混合孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡硅膠對電池包殼體密封時,可通過壓縮和增加密封條的寬度達(dá)到IPX7或IPX8防水等級的作用,但根據(jù)部分客戶的組裝測試反饋,實際應(yīng)用中會有以下問題:電池包在潮濕環(huán)境中工作一段時間后,液冷板下方會有液態(tài)水出現(xiàn)。

經(jīng)檢測,原來是外界空氣通過泡孔形成的毛細(xì)管進(jìn)入電池包內(nèi)部,空氣中的水氣堆積使電池包內(nèi)部濕度增加,而電池模組與液冷板之間存在>20℃的溫差,這兩種作用會使電池包內(nèi)部的水氣在液冷板下方凝結(jié)為液態(tài)水。長此以往,電池包內(nèi)部液態(tài)水聚集,會影響液冷板及下方支撐材料的性能,若液態(tài)水進(jìn)入電池模組內(nèi)部則容易造成電芯短路,影響電池包的使用。

其實上述現(xiàn)象在防水測試中我們也會遇到。在發(fā)泡硅膠的實驗室防水測試中,我們將試水膏(waterfindingpaste,美國KolorKut)涂抹在硅膠圈的內(nèi)部,采用限位墊將發(fā)泡硅膠壓縮后沉入水底,觀察其防水效果。試水膏是一種金黃褐色的膏體,遇水時會變色,并隨含水量增加而顏色加深。圖1為兩個發(fā)泡硅膠樣品的防水測試,對于圖1(b)和圖1(c)的防水測試結(jié)果及試水膏的變色效果,可以看出,圖1(b)防水測試沒通過,試水膏變成了玫紅色;圖1(c)雖然防水測試通過,但空氣中的水氣進(jìn)入硅膠圈內(nèi)部使試水膏變成了茶色。

因此,在電池包殼體密封設(shè)計時要注意防止空氣對流,避免水氣的進(jìn)入,即防潮,但目前對于殼體防潮密封方面的要求還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1防水測試顯色結(jié)果

(a)測試前;(b)防水測試沒通過;(c)防水測試通過,但濕氣進(jìn)入

2.3閉孔結(jié)構(gòu)

由于閉孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡硅膠力學(xué)強(qiáng)度高,在壓縮用于殼體密封時會有以下情況:①若為了保持泡孔結(jié)構(gòu)不被壓破,降低發(fā)泡硅膠的壓縮量,由于應(yīng)力松弛的作用,發(fā)泡硅膠作用于殼體的反彈力會隨時間而減小,容易造成界面漏水;②若為了增加作用于殼體的反彈力,而增加發(fā)泡硅膠的壓縮量,一方面會增加破孔率,使防水性下降,另一方面反彈力的增加,易造成殼體變形。

在理想情況下,若發(fā)泡硅膠孔壁的彈性好、強(qiáng)度高,適當(dāng)?shù)膲嚎s量下足以支撐外界的壓力,而泡孔不被壓破,則幾乎所有的泡孔被完整的孔壁包圍,泡孔間無法形成通路或毛細(xì)管,完全可以達(dá)到關(guān)于防塵、防水和防潮的要求。日本積水在專利WO2007072885A1中也提到了,通過使用電離放射線的物理交聯(lián),或使用有機(jī)過氧化物或硫化物的化學(xué)交聯(lián),制造閉孔發(fā)泡橡膠片,并將產(chǎn)品的表觀密度和壓縮永久應(yīng)變限定在一定的范圍內(nèi),可以提供優(yōu)良的防水性能,但對于防潮方面沒有介紹。專利CN201810372331.6通過原料的復(fù)配和工藝的改進(jìn),得到了可用于防潮密封的閉孔橡膠泡棉。因此,制備閉孔的發(fā)泡硅膠用于防水和防潮密封是可行的。

通過上述不同泡孔結(jié)構(gòu)效果對比可以看出,閉孔發(fā)泡硅膠在電池包殼體防塵防水和防潮密封中最有應(yīng)用前景。

3、閉孔發(fā)泡硅膠防潮密封

3.1防塵、防水和防潮密封的區(qū)別

防塵、防水和防潮分別是阻止固體(灰塵)、液體(水)和氣體(水氣)的進(jìn)入密封腔體內(nèi),以免對內(nèi)部元器件或材料性能產(chǎn)生不良影響。

固體、液體和氣體的在流動性方面區(qū)別在于:固體本身沒有流動性,固體分子只能在原位置微小振動;液體具有流動性,但液體分子只能振動和平動;氣體流動性最好,可進(jìn)行任意方向流動。

物質(zhì)這三種狀態(tài)流動性的區(qū)別,決定了防塵、防水、防潮(氣)的難度是逐漸增加的。開孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡硅膠可以達(dá)到防塵的目的,是由灰塵自身重力、空氣阻力及曲折的泡孔通路造成的;混合孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡硅膠可以達(dá)到防水的目的,是因為其中閉孔泡壁的阻隔以及液體只能平行流動;閉孔發(fā)泡硅膠可以防止水氣,是由于密閉的泡孔形成了多層防氣膜,避免氣體穿過流通。

3.2閉孔發(fā)泡硅膠為什么可以防潮

閉孔發(fā)泡硅膠作為殼體密封時可以達(dá)到防潮的目的,其整體防潮原理圖2所示。閉孔發(fā)泡硅膠的防潮作用可分為兩部分:界面防潮和泡孔防潮。

首先,發(fā)泡硅膠被殼體壓縮時產(chǎn)生的反彈力,增大了發(fā)泡硅膠與殼體間的摩擦力,使界面充分填充密封,達(dá)到界面防潮的目的;其次,閉孔發(fā)泡硅膠的泡孔被完整的孔壁包圍,且泡孔間也不相連,泡孔之間無法形成通路或毛細(xì)管,阻止外界水氣的進(jìn)入,實現(xiàn)泡孔防潮的作用。界面防潮和泡孔防潮同時作用,阻止空氣對流,起到了防潮的作用

圖2閉孔發(fā)泡硅膠防潮原理示意圖

3.3材料性能設(shè)計

現(xiàn)實發(fā)泡硅膠產(chǎn)業(yè),由于原料和工藝的問題,閉孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品或硬度太高,或泡壁彈性差,或阻燃等級不夠,為了阻止空氣對流,避免外界水氣進(jìn)入電池包內(nèi)部,實現(xiàn)閉孔發(fā)泡硅膠的長期防潮密封,材料生產(chǎn)設(shè)計時,其性能必須滿足以下要求:

-發(fā)泡硅膠的閉孔率>90%;

-發(fā)泡硅膠在壓縮30%,或更高壓縮量時保證泡孔不被壓破

-發(fā)泡硅膠的彈性好,應(yīng)力松弛小

-發(fā)泡硅膠環(huán)境測試性能損失小,壽命>10年

-發(fā)泡硅膠阻燃等級為UL94V-0

3.4氣密性測試

目前在發(fā)泡硅膠的測試項目中,常使用差壓法氣密性測試來檢驗其密封性能,這種測試方法的原理是,通過測量密封圈內(nèi)壓縮氣體保壓一定時間后壓力的變化來計算氣體的泄漏量,當(dāng)泄漏量超過一定范圍時被認(rèn)定為漏氣。由于測試時保壓時間較短,且電池包密封圈在正常使用中一直保持壓縮狀態(tài),因此加速老化試驗前后檢驗發(fā)泡硅膠的氣密性且延長保壓時間是必要的。

4、結(jié)束語

閉孔發(fā)泡硅膠用于電池包殼體密封時,可以阻止空氣對流,避免水氣進(jìn)入,同時這種材料在其他密封領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用,但目前閉孔材料的硬度大,且壓縮時易將泡孔壓破。克服現(xiàn)實發(fā)泡硅膠產(chǎn)業(yè)的不足,生產(chǎn)一種較軟且可壓縮性好、可以防止潮氣的閉孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,必定能夠拓寬發(fā)泡硅膠的應(yīng)用領(lǐng)域,加速這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。