节能减排的口号喊了那么多年，电动汽车总算是普及到了大江南北，随处都可以看见绿牌车的身影。

但纵使电动汽车拥有百般好处，现阶段燃油车的数量还是远多于电动车，对于那些还未更换电动汽车的普通群众来说，除了电动车的安全性外，他们最担忧的就是电动汽车的充能不够便捷和快速，在一定程度上会影响到日常出行。

比如说冬天就常常被称为是电动车主的“噩梦”，不仅耗电多，而且充电还慢，各个车主的朋友圈此时也是金句频出：

“电动车空调不加热了，我在车里带上了羽绒服帽子，外加手套，甚至还盖上了小毛毯。”

“电动爹不是盖的，充满电先掉100公里续航！这天气开空调吧，担心车开不到公司，不开空调又担心人到不了公司。”

“不敢跑高速，生怕续航挺不住；不敢开暖风，就怕续航掉的猛。”

那熬过了冬天是不是就好了呢？事实告诉你，你还是太天真了！到了夏天，气温攀高，尤其在全球变暖的大趋势下，许多地区夏天的最高温可达38℃以上。在这样的高温环境下，电动车需要避免充电，以免导致电池出现过热的情况，破坏电池和减少充电器的寿命。

“温度高导致充电受限”的情况还出现在了万众期待的“快速充电”中。上面提到了温度过高容易导致电池过热，曾有机构做过这方面的研究，他们使用不同倍率对26Ah/3.7V的三元锂电芯进行充电，然后记录下电芯表面的升温幅度。结果发现：

1倍充电功率(1C)下电芯的温度只上升到26℃；但是当充电功率升高到3倍(3C)时，电芯的结温一下就飙到了58℃，几乎触及了动力电池安全温度的上限。显然，如果没有办法解决高温这个问题，快速充电终究只是一个遥不可及的梦。

动力电池“充电功率vs结温”的关系

那要如何解决温度过高的问题呢？最直接的解决途径就是散热！目前汽车动力锂离子电池组液冷散热部分由液冷管和导热胶粘剂组成。液冷管包括内部的冷却液，主要完成锂离子电池组工作出现热量的散热，导热胶粘剂主要完成电芯与液冷管之间的热传导，胶的具体使用形式包括垫片、灌封、填充等。

导热胶的优势如下：

①广泛适用性：随着电子器件设计复杂度的提高，相较于传统众多的导热材料，导热胶可以更好填充元器件不规则的间隙及克服零件的公差。

②适合大规模自动生产：导热胶可以配合自动化设备进行快速施胶，适应工业领域自动化生产工艺的需求。

③长效可靠性：导热胶在众多的测试以及实际应用的过程中表现优异，如热稳定性，耐热冲击，电气绝缘性及振动老化等测试。

导热胶的导热机制

导热胶主要由树脂基体（环氧树脂、有机硅和聚氨酯等）和导热填料组成。其导热原理为：固体内部导热载体主要为电子、声子。金属内部存在着大量的自由电子，通过电子间的相互碰撞可传递热量；无机非金属晶体通过排列整齐的晶粒热振动导热，通常用声子的概念来描述；大多数聚合物是饱和体系，无自由电子存在。因此，在胶粘剂中加入高导热填料是提高其导热性能的主要方法——导热填料分散于树脂基体中，彼此间相互接触，形成导热网络，使热量可沿着“导热网络”迅速传递，从而达到提高胶粘剂热导率的目的。

填料对导热胶性能的影响

导热胶的热导率主要取决于树脂基体、导热填料及两者形成的界面。而导热填料的种类、用量、粒径、几何形状，混杂填充及表面改性等因素均会对胶粘剂的导热性能产生影响。

①导热填料的种类和用量

目前常用的导热填料有金属材料（Fe、Mg、Al、Cu、Ag）、碳基材料（碳纳米管、石墨烯、石墨）、氧化物（Al₂O₃、ZnO、BeO、SiO₂）、氮化物（AlN、BN、Si₃N₄）。其中氧化硅、氧化铝具有优良的电绝缘性能，而且价格低廉，得到了广泛使用。氮化物绝缘材料中氮化硅、氮化硼由于热导率高、热膨胀系数低等优点，成为人们研究的热点，但价格较昂贵。

填料用量也会对胶粘剂热导率产生影响。当填料较少时，填料被基体树脂完全包裹，绝大多数填料粒子之间未能直接接触，此时基体成为填料粒子之间的热流障碍，抑制了填料声子的传递。随着填料用量的增加，填料在基体中逐渐形成稳定的导热网络，此时热导率迅速增加，并且填充高热导率填料更有利于提高胶粘剂的热导率。然而，填料的热导率过大也不利于体系热导率的提高。研究表明：当填料与基体树脂的热导率之比超过100时，复合材料热导率的提高并不显著。

②导热填料的粒径和几何形状

当填料用量相同时，纳米粒子比微米粒子更有利于提高胶粘剂的热导率。纳米粒子的量子效应使晶界数目增加，从而使比热容增大且共价键变成金属键，导热由分子（或晶格）振动变为自由电子传热，故纳米粒子的热导率相对更高；同时，纳米粒子的粒径小、数量多，致使其比表面积较大，在基体中易形成有效的导热网络，故有利于提高胶粘剂的热导率。

对微米粒子而言，填料用量相同时。更大粒径的导热填料比表面积较小，不易被胶粘剂包裹，故彼此连接的概率较大（更易形成有效的导热通路），有利于胶粘剂热导率的提高，如20和2 μm的Al₂O₃填充体系相比，前者热导率更高。

③导热填料的混杂填充

与单一粒径的填料填充体系相比，不同粒径大小、同种填料的混杂填充更有利于提高胶粘剂的热导率。同种填料不同形态的混杂填充比单一球形填料填充更易获得高热导率的胶粘剂。不同种类的填料在适当配比时，混杂填充亦优于单一种类填料填充。这归因于上述混杂填充均较易形成紧密堆积结构，而且混杂填充时高长径比粒子易在球形颗粒间起到架桥作用，从而减小了接触热阻，进而使体系具有相对更高的热导率。

④导热填料的表面改性

无机粒子和树脂基体界面间存在极性差异，致使两者相容性较差，故填料在树脂基体中易聚集成团。另外，无机粒子较大的表面张力使其表面较难被树脂基体所润湿，相界面间存在空隙及缺陷，从而增大了界面热阻。因此，对无机填料粒子表面进行修饰，可改善其分散性、减少界面缺陷、增强界面粘接强度、抑制声子在界面处的散射和增大声子的传播自由程，从而有利于提高体系的热导率。

基体对导热胶性能的影响

导热胶的基体主要分为：环氧树脂灌、有机硅橡胶、聚氨酯灌封胶，三者各有长短：

①环氧树脂

优点：对材质的粘接力较好以及较好的绝缘性，固化物耐酸碱性能好，具有较好的透光性，价格相对便宜；

缺点：抗冷热变化能力弱，受到冷热冲击后容易产生裂缝，防潮能力差；固化后胶体硬度较高且较脆，无法打开，因此产品为“终身”产品，无法实现元器件的更换；光照或高温条件下易产生黄变。

②有机硅橡胶

优点：材质较软，能够消除大多数的机械应力并起到减震保护效果。物理化学性质稳定，具备较好的耐高低温性、优异的耐候性、电气性能和绝缘能力；具有返修能力。

缺点：粘结性能稍差。

③聚氨酯

优点：具有较为优异的耐低温性能，材质稍软，对一般灌封材质均具备较好的粘结性；具备较好的防水防潮、绝缘性。

缺点：耐高温能力差且容易起泡，必须采用真空脱泡；固化后胶体表面不平滑且韧性较差，抗老化能力、抗震和紫外线都很弱、胶体容易变色。

综合来看，有机硅由于具备诸多优异性能，因此成为敏感电路和电子器件灌封保护的较佳灌封材料，不过它的成本也是三者之中最高的。然而动力电池在利润率上比电子通讯等行业低很多，而且单台电池包里导热胶的使用量又特别大，因此新能源很难像其他行业一样“财大气粗”挥挥手就上最好的材料，只能想尽办法在性能达标的基础上，降低的导热材料成本，最终反而是成本最低的聚氨酯导热胶受到了欢迎。

为了提高聚氨酯导热胶的热导率，近年来不少厂家也在不断地改进其性能，比如说杜邦今年推出的聚氨酯体系的导热填缝胶产品的导热率就上升了不少，突破了常规聚氨酯体系导热胶的2.0W/m.K瓶颈，一举拿下3.0W/m.K的导热率，可以说现在电动车离快速充电又近了一步。

2021CIBF电池展上发布的BETATECH™

（雪球.com/dupont）

 

结语

到底“快速充电”什么时候可以实现？电动汽车什么时候能被更多消费者接受？虽然导热胶只是动力电池散热系统中的一个小配角，但小配角往往也能起到大作用，让我们继续期待导热胶未来还将有什么突破吧！

 

资料来源：

锂离子动力电池热失控实验与模拟研究，陶欢。

电动汽车的“超级快充”，与导热材料的“不可能三角”，王凯。

 

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