閉孔發泡硅膠在電池包殼體防潮密封中的應用

       目前發泡硅膠是電池包殼體密封的一大類材料,但不同泡孔結構的發泡硅膠用于密封時會有不同的結果:開孔結構發泡硅膠不能用于防水密封;混合孔結構可以用于防水密封,但不能滿足防潮密封結果;閉孔結構發泡硅膠的防水和防潮密封在理想情況下可以達到理想的效果。因此,制備一種閉孔的發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,為整車提供驅動電能,為保護電池包內部元器件不受灰塵、雨水等侵蝕,電池包的殼體密封必須達到一定的防塵防水等級。根據標準IEC 60529-2013和GB/T 4208-2017對電氣設備外殼防護等級要求,目前行業內對電池包在防塵和防水方面要求防護等級一般達到IP67或IP68。因此,電池包的防塵、防水密封設計非常重要。

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,這三類材料各有優缺點(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有了嚴格的界定,但對于防止水氣方面還沒有相關的標準。由于空氣中的濕氣容易造成電池包內部金屬腐蝕或電路板短路,而進入電池包內部的濕氣不易排出,因此阻止空氣對流是需要考慮的。由于發泡硅膠自身的泡孔作用,在實際應用中會出現空氣對流的現象,現單純就發泡硅膠在電池包殼體密封的應用做一個簡單的介紹。

2、發泡硅膠在殼體密封中的應用

       發泡硅膠根據泡孔結構可分為開孔結構、混合孔結構和閉孔結構,發泡硅膠用于電池包殼體密封時都是處于壓縮狀態,以便達到良好的密封效果。不同泡孔結構在壓縮時產生的變化不同,這三種泡孔結構的發泡硅膠單獨用于電池包殼體密封時會有以下效果。

2.1 開孔結構

       對于開孔結構發泡硅膠,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,為了達到防水的目的,開孔結構的發泡硅膠不能用于殼體密封。

2.2 混合孔結構

       前面提到,使用混合孔結構的發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到IPX7或IPX8防水等級的作用,但根據部分客戶的組裝測試反饋,實際應用中會有以下問題:電池包在潮濕環境中工作一段時間后,液冷板下方會有液態水出現。

經檢測,原來是外界空氣通過泡孔形成的毛細管進入電池包內部,空氣中的水氣堆積使電池包內部濕度增加,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部的水氣在液冷板下方凝結為液態水。長此以往,電池包內部液態水聚集,會影響液冷板及下方支撐材料的性能,若液態水進入電池模組內部則容易造成電芯短路,影響電池包的使用。

其實上述現象在防水測試中我們也會遇到。在發泡硅膠的實驗室防水測試中,我們將試水膏(water finding paste,美國Kolor Kut)涂抹在硅膠圈的內部,采用限位墊將發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,但空氣中的水氣進入硅膠圈內部使試水膏變成了茶色。

因此,在電池包殼體密封設計時要注意防止空氣對流,避免水氣的進入,即防潮,但目前對于殼體防潮密封方面的要求還沒有相關標準。

圖1 防水測試顯色結果

(a) 測試前;(b) 防水測試沒通過;(c) 防水測試通過,但濕氣進入

2.3閉孔結構

       由于閉孔結構的發泡硅膠力學強度高,在壓縮用于殼體密封時會有以下情況:① 若為了保持泡孔結構不被壓破,降低發泡硅膠的壓縮量,由于應力松弛的作用,發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,若發泡硅膠孔壁的彈性好、強度高,適當的壓縮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管,完全可以達到關于防塵、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,或使用有機過氧化物或硫化物的化學交聯,制造閉孔發泡橡膠片,并將產品的表觀密度和壓縮永久應變限定在一定的范圍內,可以提供優良的防水性能,但對于防潮方面沒有介紹。專利CN201810372331.6通過原料的復配和工藝的改進,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構效果對比可以看出,閉孔發泡硅膠在電池包殼體防塵防水和防潮密封中最有應用前景。

3、閉孔發泡硅膠防潮密封

3.1防塵、防水和防潮密封的區別

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

固體、液體和氣體的在流動性方面區別在于: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,可進行任意方向流動。

物質這三種狀態流動性的區別,決定了防塵、防水、防潮(氣)的難度是逐漸增加的。開孔結構的發泡硅膠可以達到防塵的目的,是由灰塵自身重力、空氣阻力及曲折的泡孔通路造成的;混合孔結構的發泡硅膠可以達到防水的目的,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 閉孔發泡硅膠為什么可以防潮

       閉孔發泡硅膠作為殼體密封時可以達到防潮的目的,其整體防潮原理圖2所示。閉孔發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,發泡硅膠被殼體壓縮時產生的反彈力,增大了發泡硅膠與殼體間的摩擦力,使界面充分填充密封,達到界面防潮的目的;其次,閉孔發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管,阻止外界水氣的進入,實現泡孔防潮的作用。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 閉孔發泡硅膠防潮原理示意圖

3.3 材料性能設計

現實發泡硅膠產業,由于原料和工藝的問題,閉孔結構的產品或硬度太高,或泡壁彈性差,或阻燃等級不夠,為了阻止空氣對流,避免外界水氣進入電池包內部,實現閉孔發泡硅膠的長期防潮密封,材料生產設計時,其性能必須滿足以下要求:

- 發泡硅膠的閉孔率>90%;

- 發泡硅膠在壓縮30%,或更高壓縮量時保證泡孔不被壓破

- 發泡硅膠的彈性好,應力松弛小

- 發泡硅膠環境測試性能損失小,壽命>10年

- 發泡硅膠阻燃等級為UL94 V-0

3.4 氣密性測試

       目前在發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,當泄漏量超過一定范圍時被認定為漏氣。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,因此加速老化試驗前后檢驗發泡硅膠的氣密性且延長保壓時間是必要的。

4、結束語

       閉孔發泡硅膠用于電池包殼體密封時,可以阻止空氣對流,避免水氣進入,同時這種材料在其他密封領域也有廣泛的應用,但目前閉孔材料的硬度大,且壓縮時易將泡孔壓破?？朔F實發泡硅膠產業的不足,生產一種較軟且可壓縮性好、可以防止潮氣的閉孔結構產品,必定能夠拓寬發泡硅膠的應用領域,加速這一產業的發展。