新能源电动汽车对于续驶里程提升有迫切需求，除了不断研发更高能量密度的电芯，电池包结构件的轻量化也尤为重要，在电池盒上盖应用复合材料成为有效手段。
电池盒用不同复合材料的材料组成和性能对比
针对国内外主机厂电池盒上盖使用的复合材料进行调研，目前普遍采用的四种复合材料SMC、PCM、HP-RTM、STM的性能数据如表1所示。
表1 热固性复合材料的材料组成和典型性能
从表1可以看到，SMC材料的机械性能低于其它三种材料，其中杨氏模量只有9Gpa，因此考虑到产品的刚度，产品的设计厚度会高于其它三种材料；在PCM、HP-RTM和STM材料中，PCM材料的机械性能最高，同时密度也是最高的，STM材料密度和机械性能最低，HP-RTM材料介于两者之间。
目前市面上主流的复合材料多以热固性复合材料为主，随着“碳减排”的要求日趋严格，并且随着热塑复合材料行业的技术发展日趋成熟，热塑性复合材料将成为汽车行业一个关键的新型材料。
热塑性复合材料开发
市场上有不同种类的热塑基体复合材料，但由于汽车行业对于成本的敏感性，连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料（CFRTP）由于其成本上的竞争力受到格外关注。结合现在电芯技术往安全性能更高的方向发展，电芯种类和布置的多样性发展，CFRTP有机会成为电池盒上盖材料的重要选材之一。
图源：ASANO
连续玻璃纤维（GF）增强聚丙烯（PP）复合材料首先将连续玻璃纤维纱和聚丙烯树脂通过熔融浸渍法（图1）制备成单向带（UD），然后将不同角度的带材铺层堆叠（图2），通过双钢带带压的方式（图3）制备成层合板。
阻燃剂对于CFRTP材料性能的影响
由于聚丙烯树脂（PP）本身含有链烷烃导致聚丙烯本身非常易燃，而电池盒上盖要求材料具备一定的阻燃等级，所以需要在聚丙烯复合材料中添加阻燃剂以提高材料的阻燃性。开发四种不同阻燃等级的CFRTP材料，结果如表2。
表2 不同阻燃等级的CFRTP材料性能对比
从表2可以看出，随着阻燃等级的提高，材料的拉伸强度和拉伸模量均有下降。其中，拉伸强度和模量最大的下降出现在非阻燃到UL94 V2级别，后续UL94 V2到V0级别，拉伸强度和模量只是略微下降。
阻燃剂对于拉伸性能的影响主要是引起玻纤填充量的下降，进而导致材料拉伸性能下降，不同类型阻燃剂的拉伸性能区别不大，但是无卤阻燃剂对于密度的影响较小。
不同类型阻燃剂对于材料耐湿热老化后性能的影响
电池盒上盖在产品寿命周期内需要承受湿热环境。对阻燃等级UL94V0两种不同类型阻燃添加剂的材料进行耐湿热老化测试，测试条件为温度85℃、相对湿度85%，老化周期为1000h，参考标准GB/T2423.50-2012《环境试验第二部分：试验方法试验恒定湿热主要用于元件的加速试验》，然后进行拉伸性能测试，参考标准ISO527-4《各向异性纤维增强塑料的拉伸性能》，结果如表3。
表3两种类型阻燃剂方案耐湿热老化
1000h后的拉伸强度保留率
从上述结果可以看出，无卤阻燃V0材料耐湿热老化后的强度保留率低于有卤阻燃V0材料，可以得知耐湿热老化对于无卤体系的CFRTP材料拉伸性能影响较大。
不同类型阻燃剂对CFRTP材料火烧性能的影响
对CFRTP板材进行火烧测试来判断CFRTP材料的防火性能，对两种不同类型阻燃剂的V0级别CFRTP材料进行火烧测试，测试条件：1200±100℃,喷嘴距离板材20cm，火烧压力氧气0.5Mpa，丙烷0.07Mpa，具体火烧过程见图4，火烧后板材的结果见图5，火烧过程见表4。
表4两种类型阻燃剂V0阻燃CFRTP材料的火烧结果
从火烧结果来看，虽然两款材料都达到了阻燃V0等级，但是实际板材模拟的火烧结果存在一定的差异，无卤阻燃V0的材料的火烧结果表现明显优于有卤阻燃V0的材料，一方面是烧穿时间长2min。另一方面，从图5可以看出，无卤阻燃的烧蚀情况明显优于有卤材料，并且烧穿的孔洞非常小。
目前这个测试的条件较为苛刻，不论从火烧的温度和火烧的压力都高于市面上做的火烧测试，但根据不同电芯热失控的温度来看，上述测试比较贴近高镍三元锂的热失控表现，如果是磷酸铁锂电芯的话，喷射温度预估只有600~650℃,明显低于这个测试的条件。
因此，从火烧的结果来看，CFRTP材料相对来说更适合磷酸铁锂电芯，当然后续还需要进一步对CFRTP材料进行600℃的火烧测试，来确认是否满足性能。对于三元锂电芯，从目前测试的结果来看，烧穿的时间较短，还需要进一步提高火烧性能。
综合从火烧的结果来看，无卤阻燃体系CFRTP材料性能优于有卤体系，后续需要针对无卤体系CFRTP材料进行600℃的火烧性能表征来确认是否满足磷酸铁锂电芯的热失控。
参考资料：连续玻璃纤维增强聚丙烯热塑性复合材料电池包上盖，林新耀等，吉利汽车研究院（宁波）有限公司
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