【张海蛟：圣戈班高功能塑料（上海）有限公司 材料技术专家】大家下午好！很荣幸受到NE时代的邀请作为嘉宾来演讲，前面听了行业大咖和前辈对新能源汽车市场的分析，受益匪浅。例如娄总提到他们很看好未来的的软包电池市场，这对于我们的材料也是一个利好的信息, 充满了希望。
从标题看, 我介绍的内容主要从两方面讲起：一是动力电池电芯间的缓冲; 二是针对热失控防护的解决方案。我们是做材料的，所以我们从材料的角度去分析电池、模组和电池包的设计解决方案。
主要介绍的内容包括三方面：公司介绍; 电池缓冲；热失控防护解决方案。
第一，为什么把我们公司放在首位介绍？因为在汽车行业，一提到圣戈班，大家的第一印象是圣戈班是一家生产玻璃的企业。的确, 我们是从玻璃起家，圣戈班在1665年承建了法国凡尔赛宫的玻璃画廊，接着圣戈班集团通过多年的经营、积累及创新, 成长为如今的一家世界五百强企业, 同时圣戈班也被评为全球工业百强企业。
今天也希望借此机会能刷新一下大家对圣戈班的理解, 除了玻璃和建材, 我们有很多种材料，服务的市场包括汽车、航空、消费品、电子、能源、食品、工业、安全防护、生命科学和建筑。我来自圣戈班高功能塑料，圣戈班高功能塑料生产的产品如下, 如汽车行业用到的自润滑衬套，精密定位圈, 高性能聚合物密封件。医疗与工业流体行业, 我们生产高纯流体需要的软管。我们也有生产PTFE的涂层织物及特种膜材料。例如特斯拉第一代的电池包, 在圆柱电芯四周缠绕的材料即为此种PTFE玻纤布, 冷凝管上也有缠绕具有电绝缘性的PTFE薄膜胶带。
我主要负责的是用于汽车行业的泡绵和胶带，我们在做的产品很多，聚氨酯类泡绵，可以用于动力电池之间缓冲，还有硅泡绵、即时在线发泡材料、胶带，挤出泡绵等。这张图很清晰地呈现给大家我们在汽车行业的解决方案，针对传统汽车, 我们有很多的黏结和密封方案用于车身内外饰。
这张图可以概括我们在电池包内部的解决方案，电芯的衬垫和缓冲，电池包的密封，热管理模组导热垫, 热失控防护材料，还有一些液冷板的保温和支撑材料。
这是我们的公司介绍，希望大家对圣戈班有一个新的认识，圣戈班集团企业有很多材料可以提供给大家。
第二，从材料的角度分析一下安全性防护的解决方案，上午、下午行业内的专家已经介绍过了常见的技术和安全要求，比如说GB/T31467.3，还有SAE J2464，已经存在很多的安全性标准, 但这些标准要求都不能限制住主机厂，我们发现许多主机厂都开始独立评估动力电池包的安全性，有自己独立的一套测试方案, 无论是从材料角度还是从动力电池包整套系统来讲。
热失控主要从三个方面触发：
热量的滥用、电气的滥用，机械的滥用, 像GB国标也是从这三个角度分析热失控。现在我们可以看到热失控无非从三个角度来防护，就像你做电池包的设计一样，从电芯开始，电芯固有的四大材料就已经决定了电池的稳定性, 有些本质是无法改变的。随着国家对能量密度的要求越来越高，我们更多的希望未来大家会通过另外两个角度, 模组和电池包的设计去防护热失控。
从我个人想法认为, 主要两方面做到热失控防护, 第一做好模组设计, 包含结构设计, 热管理, BMS设计等等。第二热失控后的防护, 如果热失控在意外下真的发生, 那我们就需要另外一套方案去阻止电芯的热失控转移到其它电芯, 模组甚至电池包。
我会简单介绍一下模组设计，只是单纯的电芯和电芯排列的设计方案。Nissan Leaf，它是通过将电芯之间喷涂胶水固定，放置在软制铝壳内封装, 最终形成模组。另外Bolt和Volt的解决方案，如视频展示, 电芯之间是有缓冲泡绵。
Bolt和Volt的设计都有一个框架, 所以需要一些塑料件。未来的发展趋势，大家会把电芯，不是两三片做成一个小框架，而是更多片电芯做在一个框架里，这是未来提高能量密度的解决方法。
以上介绍的三款方案都是用的软包电芯，如果国家从政策上放开日韩电池企业，国内的宁德、比亚迪都可能会有倾向性去研发一些软包的解决方案。软包电池有一个缺陷，充放电的过程中会发生膨胀, 这种膨胀是会一直存在的，而且在后期会发生不可逆的膨胀。在结构设计的过程中，这是一个变化的因素，要非常明确设计电芯之间是否有空隙，空隙之间是否需要添加缓冲材料，这在很大程度上决定电池的寿命和安全性。
如果电池之间没有压缩缓冲，自由膨胀, 在电池寿命初期, 锂离子在迁移的过程中在负极会被阻碍，电池充放电容量会下降。在生命的末期, 电池在自由膨胀的过程中没有受到均衡力的抑制, 电池之间的一致性降低，导致电池的寿命会下降得很快。这种缓冲材料当然有一定的导热性，接触材料的情况下，材料也会把热量传输出去，让电池的热量保持均一。
如果采用缓冲材料，类似于图中黑色这种产品，主要的影响是区别于无缓冲材料，这些影响都会促使往好的方向发展，电芯自由膨胀会受到一定限制，提高充放电的容量。末期也会抑制电芯的过大膨胀, 另外材料还具备导热和绝缘等作用。
如果需要压缩回弹力，压缩回弹性小一点还是大一点好？压缩回弹力过低和无缓冲的设计结果是一样的，压缩回弹力过高，在锂电池的初期就会限制充放电的容量。上面是没有用缓冲垫的，下面是缓冲垫用在哪个位置图示，主流的软包电池厂都在使用此种材料。
这是市面上常见的缓冲材料。首先是硅泡绵，具备一定的缓冲性，耐温性和耐老化性是优秀的，耐温性可以从-60到250℃，阻燃等级优秀。但硅泡棉的一个缺点，土豪才用这种材料，一个电池包用上百片这种材料，成本是比较高的。
其次, 氯丁发泡产品，阻燃性不错，但缺点较多, 有异味，如果不做前期的处理, 气味很大，不环保。压缩回弹力早期过大，会抑制电芯的充放电容量。永久压缩变形很差, 把泡绵长期放在电芯间压缩，这种泡绵可能会有50%的回弹失效, 严重影响后期电池寿命, 汽车续航里程也将伴随下降。
最后介绍非常理想的缓冲垫材料, 聚氨酯泡绵, 已经被广泛用于软包动力电池的缓冲。.这种泡绵具备很好的回弹力，通过定制化调整可以做出不同的回弹性。耐温性是-40到125℃，硅泡绵的耐温性太高，有一些应用过剩。聚氨酯泡绵的耐温性完全满足电池包应用温度, 在市面上大部分的聚氨酯泡绵阻燃等级是HB。对于阻燃等级国内要求不一, 但我们作为一家优秀的材料企业, 一直在不断研发新产品，当然有更高阻燃等级的聚氨酯泡绵可以满足主机厂不同的设计要求。
我们主要的产品是聚氨酯泡绵, 硅泡绵。这是我们现有的材料，PF系列产品，硅泡绵系列产品。
下面给大家针对性介绍一下在结构设计中，针对泡绵有哪些性能，设计时需要注意哪些评估因素。首先压缩回弹力, 例如压缩弹簧一样，将弹簧压缩至50%的形变，弹簧会给你手反作用力, 如果停留一分钟力, 力会稳定在某个数值, 这个数值就是电芯与缓冲泡绵之间的力。针对材料，我们会做不同压缩比测试，测20%、50%、80%等的力，前期刚装上电池包的时候是在这个位置力，20%、30%的压缩，力大概20~30kpa，足够限制电芯膨胀，保证电池一致性。软包电池寿命后期会膨胀更多，泡绵压缩达到70%，在后期提供较大的力可以抑制电芯的过渡膨胀。
我们可以根据您的需求定制化产品软硬度, 使得PF产品的压缩曲线更平滑，或前期的压缩力提高。多大的力是要看企业的电芯, 模组的性能设计需求。
这是我们针对泡绵耐久性的循环测试，下面数字1万代表我们把泡绵模拟电芯充放电的次数，在此期间, 泡绵进行不断循环压缩。绿色线是我们产品，这个产品经过10000次压缩后，压缩力的变化非常小的，性能非常稳定。紫色线的竞品, 力明显下降很多，后期就无法提供软包电池膨胀的抑制力。
氯丁橡胶泡绵我们有做一些测试，压缩永久变形能达到68%，弹性失效非常大。 我们的聚氨酯泡绵材料只会在3%以下。电池的生命末期，如果泡绵没有回弹力，不接触电芯, 电芯局部过热等现象都会导致热失控。
新能源汽车会卖到东北地区，东北冬天温度可能在-20℃、甚至-40℃。在寒冷条件下, 电池能不能充电、能不能快速恢复到正常工作状态是非常重要的。圣戈班聚氨酯泡绵有做过耐寒性测试，从测试图中可以看出, -20℃的情况下，竞品泡绵没有回弹性, 圣戈班产品依然具备一定的回弹力，能够帮助电池包正常充电膨胀, 快速恢复到正常工作状态。
大家会疑虑如何将缓冲泡绵很好的固定在电芯之间, BMW i3用胶把方形电芯之间固定，无缓冲泡绵。泡绵当然也可以用胶水固定在软包电池之间，但设计时就需要另外考虑采购胶水, 而我们的产品有一定的吸附性，泡绵可以直接吸附在电芯上面, 无需复杂的涂胶工艺。我们也可以推荐自动化生产的组装方案。
自动化组装的过程中会对泡绵本身产生一定的摩擦或物理损伤，此时大家会要求做膜的增强保护, PET膜, 此种产品我们也可以生产。
前面就是我们针对软包电池缓冲的理解与圣戈班提供相应的解决方案。针对方形电池，行业内设计越来越高的能量密度，方形电芯也会发生一定的膨胀，所以方形电芯同样需要使用缓冲材料, 只是回弹力的需求有所变化。
前期模组设计方面做了很好的设计，避免发生热失控。但如果还是发生意外,热失控产生, 那怎样防护、怎样屏蔽火源？这是另外一些阻火材料可以提供的解决方案。圣戈班也有较成熟的解决方案。
这个视频可以直观理解我们FS1000产品，大家可以发挥想象空间, 把材料应用在电池包所需要屏蔽火源的地方。火焰直接烧灼材料，材料会发生膨胀，抑制更多空气进入到电池包内助燃。
火焰直接烧灼的这一面会形成焦炭层, 阻断火焰继续扩展。这款材料可以用在模组四周, 电池包内壁保护等。导热率较低，也可作为保温材料。
刚才提到有缓冲材料，缓冲材料本身不能很好的屏蔽火源，但我们有一款产品, 既带有缓冲性又带有一定热失控防护性能。这是我们的产品TRP，它可以提供很好的热失控防护，我们这边有一个测试，供大家参考。模拟制作一个模组, 电芯间加上我们的泡绵材料，通过一定的力压紧，通过过充试验触发电芯热失控，看它是不是可以隔绝电芯之间的热失控传播。
视频中左边是没有用热失控垫片，右边是采用我们的产品。10到20s之后可以看到圣戈班的材料逐渐让火源、火势下降，50s左右火势完全熄灭。国标的技术要求希望乘客预警5分钟左右无火焰蔓延到电池包外，这款材料可以做到这一点。这是我们监测温度，热失控电池的温度是有明显的上升，但在材料保护下的电芯温度依旧保持在合理范围内, 而且受保护的电芯在试验后依旧可以使用。
这就是我今天给大家的分享内容, 希望大家能了解模组设计的一些发展方向, 缓冲材料在电芯之间结构设计的必要性, 热失控防护的解决方案。圣戈班作为一家全球的材料企业, 可以为您提供很多种电池包材料的解决方案。我们也欢迎感兴趣的企业和我们进一步的探讨与交流, 谢谢大家。
