Керамизующееся силиконовое покрытие для аккумуляторных батарей электромобилей: принцип действия, области нанесения и сравнение со слюдяными и интумесцентными барьерами

Для инженеров-конструкторов, специалистов по тепловой защите и закупщиков материалов на заводах-производителях электромобилей и поставщиков уровня Tier-1 самая сложная задача на уровне батарейного модуля — уже не плотность энергии ячеек, а прохождение испытаний на распространение теплового разряда между ячейками по стандартам GB 38031-2020 и UL 2580 без необходимости навешивать килограммы жёстких слюдяных пластин. При вентиляции одной ячейки наружу выбрасываются газ и частицы пламени с температурой 600–1000 °C в направлении соседних ячеек, и любая стратегия барьерной защиты должна поглотить эту струю без увеличения массы, потери электрической прочности и усложнения сборочной линии. В этой статье объясняется, как керамизующееся силиконовое покрытие формирует твёрдую керамическую оболочку под воздействием пламени, где его наносить внутри модуля и чем оно отличается от слюдяных листов, аэрогелевых матов и интумесцентных покрытий.

1. Зачем аккумуляторным модулям электромобилей нужен противопожарный барьер и что требуют нормативы

Когда одна ячейка переходит в режим теплового разряда (thermal runaway), выброшенные горячие газы и частицы пламени могут достигать температуры 600–1000 °C. Если такие струи достигают соседней ячейки, распространение каскадно охватывает весь модуль и батарею. Поэтому стратегия применения барьеров — не опция, а линия обороны, которая обеспечивает пассажирам время на эвакуацию, требуемое нормативными документами.

Главный критерий «прошёл/не прошёл» для любой новой программы электромобиля — испытание на распространение теплового разряда между ячейками. В таблице ниже приведены основные стандарты, которым должны соответствовать конструкторы батарейных модулей и инженеры по тепловой безопасности.

Именно эти требования заставляют разработчиков модулей искать барьер, который был бы тонким, конформным, диэлектрическим и способным выдержать реальную струю при вентиляции, а не спокойное пламя лабораторной горелки. Чтобы понять, как ведут себя материалы в таких условиях, ознакомьтесь с нашим обзором по защите аккумуляторов электромобилей от теплового разряда с помощью силиконовых материалов.

2. Что входит в состав керамизующегося силиконового покрытия и как оно превращается в керамику под пламенем

Керамизующееся силиконовое покрытие представляет собой наполненную силиконовую систему, подобную краске, которая при комнатной температуре ведёт себя и перерабатывается как обычное эластомерное покрытие, но при нагреве выше примерно 450–700 °C спекается в твёрдую керамическую оболочку. В его основе — та же химия VMQ, которой каждый день пользуется любой компаундер силиконов, с добавлением ряда функциональных наполнителей.

В обычных условиях эксплуатации плёнка ведёт себя как обычный эластомер: гибкий, диэлектрический и водостойкий. Когда пожар разогревает поверхность выше примерно 300–400 °C, механизм развивается в следующей последовательности.

1. Ниже ~300 °C силиконовое связующее остаётся эластомерным; покрытие сохраняет гибкость и диэлектрические свойства.
2. В диапазоне ~300–450 °C силиконовая основа разлагается в кремнезёмный кокс, а ATH и борат цинка выделяют связанную воду и вспениваются, охлаждая поверхность и разбавляя горючие газы.
3. При ~450–700 °C боросиликатная стеклофритта размягчается, растекается и смачивает кремнезёмный кокс и огнеупорные наполнители.
4. Расплавленное стекло спекает весь неорганический остаток в сплошной самонесущий керамический слой.
5. В диапазоне 800–1200 °C керамическая оболочка сохраняет форму, блокирует прямой контакт пламени с подложкой и противостоит эрозии от струй при вентиляции ячеек.

Конечный результат — тонкая твёрдая керамическая «кожа» именно там, где было нанесено покрытие, поэтому Newsil предлагает эту систему в рамках стандартного портфеля силиконовых каучуковых компаундов. Для более глубокого погружения в химию керамизующегося силиконового каучука и его применение в кабельной отрасли см. соответствующую статью.

3. Сравнение барьерных технологий: керамизующееся покрытие против слюдяного листа, аэрогеля и интумесцентного покрытия

Единого «лучшего» барьера не существует; правильный выбор зависит от того, какая это поверхность в модуле, каким воздействиям она подвергается и как организовано производство. В таблице ниже сравниваются четыре семейства материалов, которые чаще всего рассматривают закупщики.

Практический вывод: интумесцентные покрытия (системы на основе полифосфата аммония / пентаэритрита / меламина) вспучиваются в толстый изолирующий углеродный пенококс и хорошо зарекомендовали себя на несущих стальных конструкциях, однако их кокс механически слаб и может сдуваться высокоскоростной струёй при вентиляции призматической или pouch-ячейки. Слюдяные листы дёшевы и диэлектричны, но жёсткие и тяжёлые. Аэрогель — лучший изолятор, но дорогой и пылит при монтаже. Керамизующееся силиконовое покрытие даёт более тонкую, твёрдую, стойкую к эрозии керамическую оболочку, предпочтительную там, где поверхность непосредственно подвергается воздействию струи при вентиляции ячеек.

4. Где наносить покрытие в модуле и как квалифицировать поставщика

В типовом серийном модуле используется комбинация из двух-трёх семейств барьеров: аэрогелевые маты между ячейками для чистой теплоизоляции и керамизующееся силиконовое покрытие на крышках, шинах и торцевых пластинах модуля, куда первой приходит струя при вентиляции. В пронумерованном списке ниже — наиболее распространённые точки нанесения.

1. Межъячеечные проставки и торцевые пластины модуля — заменяют слюдяные вставки толщиной 0,3–0,5 мм.
2. Покрытия шинопроводов (busbar) — диэлектрическая изоляция и противопожарный барьер в одной конформной плёнке.
3. Внутренняя сторона верхней крышки модуля — первая поверхность, в которую ударяет струя ячейки с верхним газоотводом.
4. Корпуса высоковольтных распределительных блоков и модулей предохранителей / отключения.
5. Карманы разъёмов, крепления BMS и кабельные проходы, где вырубная слюда оставляет швы.

При квалификации покрытия запрашивайте у поставщика данные CoA по партиям и следующие подтверждения: адгезию методом решётчатого надреза по ASTM D3359 на уровне класса 1–2 или выше на загрунтованном алюминии и стали; электрическую прочность по ASTM D149 ≥10–20 кВ/мм на отверждённой плёнке; UL 94 V-0 для самого отверждённого покрытия; прохождение испытания на изгиб по оправке при –40 °C без растрескивания; программу термостарения 150 °C / 1000 ч с сохранением показателей электрической прочности и адгезии. Для подкузовных деталей дополнительно требуйте данные по соляному туману ASTM B117 и циклы термоудара и влажности по спецификации OEM. С технологической точки зрения, керамизующаяся силиконовая эмульсия на водной основе должна наноситься через стандартное оборудование HVLP, выдерживаться для удаления влаги и отверждаться 10–30 мин при 120–180 °C в зависимости от системы, с возможностью ремонта и повторной переработки без складского запаса вырубных деталей.

Для закупщиков уровня Tier-1 самая простая проверка — попросить поставщика указать в типовом даташите результаты испытаний на распространение по GB 38031-2020 на репрезентативном модуле, а не только демонстрации на лабораторной горелке. Линейка керамизующихся силиконовых каучуковых компаундов Newsil построена на той же химии VMQ, которую мы компаундируем каждый день — VMQ каучук, пирогенный диоксид кремния, платиновая или пероксидная вулканизация, керамические наполнители — поэтому прослеживаемость партий и поддержка CoA обеспечиваются без затруднений.

Заключение

Керамизующиеся силиконовые покрытия не заменяют любой барьер в модуле электромобиля, но они — наиболее практичное решение для поверхностей, подвергающихся прямому воздействию струи при вентиляции ячеек, где требуется тонкая, конформная, диэлектрическая плёнка, спекающаяся в твёрдую керамическую оболочку при 800–1200 °C. В сочетании с аэрогелевыми матами между ячейками они позволяют модулю пройти испытания на распространение по GB 38031 и UL 2580 при экономии килограммов массы по сравнению с конструкциями целиком на слюде. Если вы сравниваете варианты барьеров или квалифицируете нового поставщика, отправьте чертёж вашего модуля, целевую толщину покрытия и протокол испытаний на распространение нашей технической команде — мы предоставим даташит, образцы панелей и рекомендации по процессу нанесения.

Похожие материалы

• Компаундирование и смешение силиконового каучука HTV: методика на двухвалковом смесителе и контроль качества партий
• Керамизующийся силиконовый каучук: огнестойкий материал для кабелей и аккумуляторных барьеров
• Защита аккумуляторов электромобилей от теплового разряда с помощью силиконовых материалов
• Оптически прозрачный LSR для светодиодных линз: светопропускание и руководство по эквивалентным маркам
• Силиконовые каучуковые компаунды для промышленного применения