特斯拉電池散熱的秘密武器，竟是一管“膠”？

新型導(dǎo)熱膠粘劑“賦能”特斯拉汽車

據(jù)中國粉體網(wǎng)了解，特斯拉的Model 3早期使用的動力電池粘接劑其熱傳導(dǎo)性能并不理想，在車輛高速行駛、反復(fù)加減速度或是高溫條件下的快速充電過程中，電池核心產(chǎn)生的熱量難以迅速且有效地傳遞散出。

（圖源：特斯拉）

比如在炎熱的夏季進(jìn)行快速充電時，電池組的內(nèi)部溫度會迅速升高，有時甚至接近50℃，這遠(yuǎn)超過了電池芯的最佳工作溫度范圍（20~40℃），進(jìn)而影響電池的充放電效率，使車輛的行駛里程大幅縮短。同時，若電池長期暴露在這樣的高溫條件下，也會大幅提升電池起火或爆炸的安全隱患。

之后，特斯拉應(yīng)對先前的問題推出采用先進(jìn)材質(zhì)的改良型導(dǎo)熱膠粘劑。融合了氮化硼、氮化鋁等新型高導(dǎo)熱填充物的新型材料以其卓越的熱傳導(dǎo)性能、適宜的粒度、形態(tài)以及分布的均勻性，在膠粘劑中形成了一個高效的熱傳導(dǎo)體系。

根據(jù)溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)表明，在高溫快速充電的條件下，使用了這種新型導(dǎo)熱膠粘劑的電池組內(nèi)部溫度可以穩(wěn)定在約35℃，有效防止了熱量的集中，確保電池內(nèi)部熱量的迅速且均勻的散發(fā)，可以使電池在最佳的工作溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。

在全面提升性能方面，最新研發(fā)的導(dǎo)熱膠粘劑，不僅顯著提升了電池的熱量散發(fā)能力，同時也進(jìn)一步加強(qiáng)了電池模組的結(jié)構(gòu)牢固性，應(yīng)用了這種新型粘接劑的電池使用壽命得到了顯著的增加。在模擬整車使用壽命的充放電測試中，電池容量衰減率顯著降低，車輛在多種駕駛條件下的續(xù)航能力更加穩(wěn)定，有效避免了由于電池過熱等因素引起的動力性能降低，極大地優(yōu)化了用戶的使用感受，同時也為該品牌的新能源汽車在激烈的市場競爭中增添了更多的優(yōu)勢。

高性能導(dǎo)熱膠粘劑熱界面材料

導(dǎo)熱膠粘劑是一種熱界面材料，指應(yīng)用于兩界面處用于粘接與散熱的復(fù)合材料，主要由樹脂基體與導(dǎo)熱功能填料構(gòu)成。導(dǎo)熱膠粘劑在大多數(shù)基材上有可靠的粘接能力，防止粉塵、水氣、振動沖擊或化學(xué)物質(zhì)腐蝕對元器件和設(shè)備的損害，同時也能從容處理棘手的散熱瓶頸問題，也有著輕質(zhì)、環(huán)保、長期可靠性與低成本的優(yōu)勢，因而被廣泛用于電子封裝、傳感器、功率部件、新能源、交通運(yùn)輸、消費(fèi)者設(shè)備、電訊設(shè)備、航空航天、醫(yī)藥以及國防等行業(yè)，發(fā)揮著越來越重要的作用。

（圖源：漢高）

導(dǎo)熱膠粘劑作為熱界面材料的初衷是降低相鄰兩個界面之間的溫度差，使熱量迅速傳輸并散至外界，保持器件或設(shè)備的正常運(yùn)行。基于這個出發(fā)點(diǎn)，導(dǎo)熱膠粘劑內(nèi)部需建立盡量多的最短有效熱傳導(dǎo)路徑，并使導(dǎo)熱功能粒子與膠粘劑樹脂基體的界面間熱阻以及導(dǎo)熱膠粘劑與界面的接觸熱阻盡量最小化。商業(yè)化導(dǎo)熱膠粘劑的導(dǎo)熱系數(shù)處于中等位置，導(dǎo)熱膠粘劑也隨著技術(shù)發(fā)展被賦予了更高的性能要求，取得了更大的發(fā)展。

改良型導(dǎo)熱膠粘劑的增強(qiáng)導(dǎo)熱

填料的選擇

目前，導(dǎo)熱功能填料對導(dǎo)熱膠粘劑的重要性不言而喻，業(yè)界的研究焦點(diǎn)往往集中在導(dǎo)熱功能粒子的開發(fā)、改性與混雜級配這些方面。導(dǎo)熱功能填料可分為碳系填料、金屬系和陶瓷系。科學(xué)合理地選取導(dǎo)熱功能填料進(jìn)行填充，可使導(dǎo)熱膠粘劑的導(dǎo)熱性能邁上一個新臺階。

碳系填料主要包括了碳納米管、石墨、石墨烯和碳纖維，它們具有極高本征熱導(dǎo)率以及高比表面積與輕質(zhì)的特性。其中，碳納米管(CNTs)由于其出色的機(jī)械和物理特性引起了研究者的興趣，其具有很高的導(dǎo)熱性，單層納米管(SWCNTs)的熱導(dǎo)率高達(dá)6000W/(m·K)、多層納米管(MWCNTs)為3000W/(m·K)。將CNTs集成到膠粘劑聚合物基體中，可以顯著提高整體導(dǎo)熱性。

（圖源：Carbice）

陶瓷填料具有電絕緣性，是導(dǎo)熱膠粘劑最常用的填料種類之一。各種陶瓷填料被添加到導(dǎo)熱膠粘劑配方中，如高導(dǎo)熱碳化硅、氮化鋁、氮化硼和氧化鋁粉體，為電子設(shè)備應(yīng)對熱量挑戰(zhàn)提供有效的助力。

其中，二維的氮化硼由于其在各方面的優(yōu)異性能而獲得了極大的關(guān)注。氮化硼具有蜂窩狀的原子結(jié)構(gòu)，類似石墨烯結(jié)構(gòu)，有著較高的本征熱導(dǎo)率(理論上為面內(nèi)2000 W/(m·K)，面外380W/(m·K)）。其熱傳導(dǎo)能力居同類材料之首，且具備出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

此外，它還具備較低的介電參數(shù)和較高的電阻率，使之成為生產(chǎn)高絕緣導(dǎo)熱聚合物的首選填充物，完美滿足新能源電動汽車動力電池對導(dǎo)熱膠粘劑高效散熱和絕緣的雙重要求。同時，氮化硼在高溫條件下仍能維持其性能不變，這對于電動汽車在高溫駕駛或是快速充電過程中電池溫度的升高至關(guān)重要，它能確保導(dǎo)熱膠粘劑在高溫環(huán)境下依然能夠有效地傳遞熱量，防止電池過熱而導(dǎo)致性能下降或安全隱患。

僅次于氮化硼的另一陶瓷填料氮化鋁導(dǎo)熱粉體的熱傳導(dǎo)率也很高，能夠很快地將熱量傳遞出去，這一點(diǎn)極為重要，可以保證動力電池在運(yùn)行的時候能夠?qū)崃扛咝У厣l(fā)出去。此外，其絕緣特性在防止導(dǎo)電引起短路等危險的電池復(fù)雜電路環(huán)境下使用時，確保了安全。

氮化鋁具有類似于多種半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)，可以幫助在各種工況下降低熱應(yīng)力、增強(qiáng)材料間的熱兼容性，使之與電池溫度波動相適應(yīng)。在化學(xué)穩(wěn)定性方面，氮化鋁粉體具有抗腐蝕性，增強(qiáng)導(dǎo)熱膠粘劑的持久性，幫助改善其使用壽命，在電池內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和多種外界環(huán)境下，都能保持性能不變，從而保證動力電池在長時間內(nèi)穩(wěn)定工作。

正是由于添加了氮化硼、氮化鋁等高導(dǎo)熱填料的增強(qiáng)型導(dǎo)熱膠粘劑，特斯拉得以從容應(yīng)對動力電池散熱瓶頸問題。

填料的粒徑、形貌、分布等因素的優(yōu)化

在填料粒度方面，利用獨(dú)特的加工工藝，將氮化鋁的粒度縮小到納米級別，從而幫助熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)密集、不間斷地在粘合劑基質(zhì)中形成，使熱量傳輸速度加快。但過分減小的粒度可能會加劇填料的團(tuán)聚現(xiàn)象，因此為了達(dá)到分散性和導(dǎo)熱效果的最佳平衡，需要確定一個合適的粒度范圍。

在形貌方面，各種形態(tài)的填充材料在構(gòu)成基體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)方面表現(xiàn)出不同的效能。理論上，層狀結(jié)構(gòu)的氮化硼在堆積過程中能夠構(gòu)建出最高效的導(dǎo)熱路徑，然而，層狀填充材料在混合時，顆粒接觸面積的增加會導(dǎo)致混合物粘度的上升，同時也會顯著降低最終制得的導(dǎo)熱膠粘劑的彈性，這對實(shí)際使用是不利的。

相較之下，球狀氮化鋁和氮化硼等填料對混合物的稠化作用較輕微，隨著填充量的增加，基體的熱導(dǎo)率能得到顯著增強(qiáng)，而且在加工處理上更為方便。因此，目前有部分研究傾向于采用球狀填料或球形產(chǎn)品，以改善導(dǎo)熱膠粘劑的整體性能。

填料的分散均勻性是決定熱傳導(dǎo)效率的核心要素之一。只有填充物均勻地分布在基材中，防止產(chǎn)生熱阻集中的區(qū)域，才能構(gòu)成穩(wěn)定有效的導(dǎo)熱路徑。采用高效混合、超聲波分散等物理手段，輔以合適的分散劑或偶聯(lián)劑處理填料表面的創(chuàng)新混合技術(shù)，使膠粘劑中氮化鋁、氮化硼等材料的分散質(zhì)量得到大幅度優(yōu)化，達(dá)到均勻分散于基材中的目的，進(jìn)而使膠粘劑的熱傳導(dǎo)能力得到顯著增強(qiáng)。比如含有氮化硼填料的導(dǎo)熱粘合劑，經(jīng)過分散工藝的改進(jìn)，其導(dǎo)熱傳導(dǎo)系數(shù)可以提高30%左右。

展望

總的來說，導(dǎo)熱膠粘劑需在材料內(nèi)部建立盡量多的最短有效熱傳導(dǎo)路徑，并使界面間與界面外的接觸熱阻最小化，提升導(dǎo)熱效率。

目前，導(dǎo)熱膠粘劑的研究較多聚焦于構(gòu)建導(dǎo)熱功能粒子網(wǎng)絡(luò)，形成高效導(dǎo)熱通路。未來的導(dǎo)熱膠粘劑研究方向應(yīng)繼續(xù)保持前沿與創(chuàng)新，繼續(xù)投入新型導(dǎo)熱通路的構(gòu)建與降低熱阻的研究，降低導(dǎo)熱功能粒子的填充量，提升導(dǎo)熱膠粘劑的力學(xué)、流變學(xué)等性能。同時注意借鑒其他功能材料并協(xié)同發(fā)展，擴(kuò)充導(dǎo)熱膠粘劑的邊界與范疇。

更重要的是，需要繼續(xù)加強(qiáng)傳熱和粘接方面的深層次機(jī)理、模型、表征和計算的基礎(chǔ)研究，更好地指導(dǎo)導(dǎo)熱膠粘劑的進(jìn)一步發(fā)展。

參考來源：

[1]方國強(qiáng)等：基于新型材料的新能源電動汽車動力電池導(dǎo)熱膠粘劑創(chuàng)新研究，浙江匯盛投資集團(tuán)有限公司

[2]許永倫等：高性能導(dǎo)熱膠粘劑熱界面材料:機(jī)理、現(xiàn)狀與趨勢，深圳先進(jìn)電子材料國際創(chuàng)新研究院