電動(dòng)汽車(chē)的電池通常很重。緊湊型車(chē)型的電池重量約為250kg，而大型轎車(chē)的電池重量可達(dá)700kg。更大容量的電池能提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程，但同樣會(huì)帶來(lái)生態(tài)足跡隨尺寸增加的弊端。在德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與氣候行動(dòng)部資助的COOLBat項(xiàng)目中，電動(dòng)汽車(chē)電池的外殼結(jié)構(gòu)通過(guò)功能適配的智能化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。其目標(biāo)是以更少的獨(dú)立部件和易拆卸接口來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的功能。因此，溫控通道被集成至承重結(jié)構(gòu)中。底板中的泡沫鋁材料既有助于電池?zé)峁芾恚帜茉谑鹿手型ㄟ^(guò)吸收沖擊能量來(lái)提升防護(hù)性能。

圖1：基于梅賽德斯-奔馳EQS平臺(tái)設(shè)計(jì)的電池參考系統(tǒng) © Fraunhofer IWU, Auto-Entwicklungsring Sachsen FES/AES

此外，該項(xiàng)目還致力于優(yōu)化材料使用和制造工藝，力爭(zhēng)在電池外殼的整個(gè)生命周期中實(shí)現(xiàn)每件減少15%的二氧化碳排放量。梅賽德斯-奔馳EQS的電池組被選作參考基準(zhǔn)和技術(shù)驗(yàn)證載體（圖1）。該電池系統(tǒng)由上蓋、框架和底板組成，它由開(kāi)發(fā)服務(wù)提供商薩克森州汽車(chē)工程聯(lián)盟（FES/AES）和弗勞恩霍夫機(jī)床與成形技術(shù)研究所（IWU）共同設(shè)計(jì)構(gòu)建，其創(chuàng)新之處在于可實(shí)現(xiàn)無(wú)損拆解至零部件級(jí)別。這種設(shè)計(jì)旨在支持維修、再利用和純材料分離，簡(jiǎn)而言之，就是踐行循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。通過(guò)輕量化結(jié)構(gòu)和可循環(huán)材料實(shí)現(xiàn)的減材方案還能降低二氧化碳排放量并減少維修成本。

圖2：泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的底部冷卻板（左）和PCM-泡沫鋁樣本的CT掃描影像（右）：該部件兼具防護(hù)和冷卻功能 © Fraunhofer IWU

減重的備選方案之一是整合電池外殼中原本分立的熱管理系統(tǒng)和機(jī)械承載系統(tǒng)。如前所述，溫控通道被直接集成到承重結(jié)構(gòu)或橫梁組件中。這些部件通過(guò)弗勞恩霍夫制造技術(shù)與應(yīng)用材料研究所（IFAM）的鑄造技術(shù)生產(chǎn)。此外，冷卻單元功能和底盤(pán)防護(hù)功能被融于單一部件，即底部護(hù)板。其形狀類(lèi)似于三明治結(jié)構(gòu)，由泡沫鋁芯層和兩個(gè)外層系統(tǒng)組成。其中一個(gè)外層集成了主動(dòng)冷卻所需的冷卻通道結(jié)構(gòu)（圖2左）。

冷卻和底盤(pán)防護(hù)一體化部件

這種夾層結(jié)構(gòu)由弗勞恩霍夫IWU研究所開(kāi)發(fā)制造，可有效吸收碎石沖擊和碰撞事故產(chǎn)生的能量。其中，泡沫鋁材料能夠吸收沖擊產(chǎn)生的大部分能量，同時(shí)作為導(dǎo)熱基質(zhì)彌補(bǔ)相變材料（PCM）導(dǎo)熱性不足的缺陷。PCM是一種能夠高效儲(chǔ)存和釋放冷熱能量的蠟質(zhì)材料，可平抑熱負(fù)荷峰值并提升溫度均勻性。它與泡沫鋁結(jié)合形成的復(fù)合材料還能降低電池冷卻能耗（圖2）。這種底板的功能集成設(shè)計(jì)既節(jié)省了安裝空間又減少了接口數(shù)量。

為降低電池箱的整體重量并構(gòu)建節(jié)能高效的高度自動(dòng)化工藝鏈，項(xiàng)目創(chuàng)新地采用了復(fù)合塑料來(lái)制造電池箱蓋。其核心材料是定制開(kāi)發(fā)的預(yù)浸漬碳纖維，即Towpregs。這種材料能在室溫下保持完全干燥且無(wú)粘性，因此可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作而不粘連。它們只有在自動(dòng)鋪層過(guò)程中才會(huì)因受熱而變粘，確保纖維層間牢固結(jié)合。弗勞恩霍夫IWU研究所通過(guò)其模塊化試驗(yàn)設(shè)施專(zhuān)門(mén)為該項(xiàng)目制備了Towpregs。

適用于CFRP的材料

在生產(chǎn)過(guò)程中（圖3），干燥的碳纖維（CF）首先通過(guò)生產(chǎn)線(xiàn)起始端的展纖單元，該單元利用多個(gè)加熱導(dǎo)紗點(diǎn)將纖維束擴(kuò)展至更大寬度。隨后，下游供料系統(tǒng)將展開(kāi)的纖維粗紗輸送至樹(shù)脂涂覆系統(tǒng)，該系統(tǒng)在升溫條件下持續(xù)施加定量樹(shù)脂。后續(xù)的浸漬單元和控制卷繞裝置均根據(jù)材料特性定制，確保制備出基質(zhì)分布均勻的穩(wěn)定Towpreg預(yù)浸料。

圖3：所使用的預(yù)浸漬纖維帶由弗勞恩霍夫IWU研究所的Towpreg生產(chǎn)線(xiàn)制備 © Fraunhofer IWU

通過(guò)采用商用環(huán)氧樹(shù)脂體系和阻燃添加劑進(jìn)行初步測(cè)試可確定合適的基體材料體系。CTP Advanced Materials公司研發(fā)的環(huán)氧樹(shù)脂體系也被納入這一材料庫(kù)。研究團(tuán)隊(duì)利用Towpreg生產(chǎn)線(xiàn)制備了多種材料變體，并依據(jù)DIN EN 1895標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)180°T型剝離試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行性能表征。項(xiàng)目合作方Compositence公司在其鋪放設(shè)備上對(duì)這些變體進(jìn)行了工藝適用性驗(yàn)證。

提升阻燃性能的措施

采用CTP Advanced公司環(huán)氧樹(shù)脂熱熔體系并混合商用阻燃劑的CF Towpregs預(yù)浸料在AFP（自動(dòng)纖維鋪放）工藝中展現(xiàn)出顯著加工優(yōu)勢(shì)。在成功制備預(yù)成型體后，項(xiàng)目合作伙伴Invent公司對(duì)該半成品進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)使用與電池箱體成型曲率匹配的模具開(kāi)展基礎(chǔ)成型試驗(yàn)并制定制造策略，研究團(tuán)隊(duì)成功將預(yù)浸料預(yù)成型體轉(zhuǎn)化為無(wú)孔隙部件，從而為CFRP材質(zhì)電池箱蓋的制造奠定了基礎(chǔ)。

膨脹型涂料受熱時(shí)會(huì)發(fā)泡膨脹，從而增強(qiáng)阻燃性能。由此產(chǎn)生的泡沫層可有效隔絕熱量向基材傳遞、切斷基材的氧氣供應(yīng)并抑制燃燒過(guò)程。涂料的發(fā)泡取決于三種組分的協(xié)同作用，即酸源、氣源和碳源，它們作為添加劑被添加到適宜的粘合劑中。

基于木質(zhì)素的可持續(xù)防火涂料

當(dāng)前的研究重點(diǎn)在于提高防火體系中可再生原料的比例。造紙副產(chǎn)品木質(zhì)素因其化學(xué)結(jié)構(gòu)兼具碳源和自由基捕獲能力而成為了一種極具前景的原材料。在該項(xiàng)目中，木質(zhì)素通過(guò)兩種方式融入膨脹型防火涂料：一是通過(guò)化學(xué)鍵合嵌入粘合劑（圖4），二是作為碳源通過(guò)添加劑與選定的氣源、酸源復(fù)配使用。研究表明，對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行預(yù)先磷酸化處理可進(jìn)一步提升其阻燃效果。

圖4：木質(zhì)素被化學(xué)整合到阻燃涂層的粘合劑中 （來(lái)源：Fraunhofer WKI；圖：© Hanser）

所配制的木質(zhì)素基涂層以300g/m²的涂布量涂覆在Towpreg樣品上并使用燃?xì)馊紵髟u(píng)估其在火災(zāi)中的阻燃效果（圖5）。與未涂層的試樣相比（圖5右），涂層樣品表現(xiàn)出顯著減弱的火焰蔓延趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)基體和纖維具有保護(hù)作用。

圖5：Towpreg樣品的燃燒測(cè)試（左）及測(cè)試后樣品狀態(tài)對(duì)比（右）。涂覆（下）和未涂覆（上）阻燃涂層樣品的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，該涂層會(huì)發(fā)泡膨脹，從而提供額外防護(hù)  © Fraunhofer IWU

總結(jié)與展望

COOLBat項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)用于輕量化、功能集成且可拆卸的電池外殼的創(chuàng)新材料、結(jié)構(gòu)原理和制造技術(shù)。該項(xiàng)目直接對(duì)標(biāo)高端電池系統(tǒng)，凸顯了其高度實(shí)用性。所有部件制造和零件測(cè)試均基于實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模，1:1比例的電池箱體示范裝置支持特定的電氣性能和熱管理測(cè)試，并與參照系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比?？刹鹦对O(shè)計(jì)是電池及其組件可回收利用的關(guān)鍵。除了電動(dòng)汽車(chē)的電池箱體外，該項(xiàng)目的成果還可拓展至軌道交通、航空及船舶等移動(dòng)出行領(lǐng)域。所開(kāi)發(fā)的冷卻系統(tǒng)同樣適用于醫(yī)療和食品運(yùn)輸場(chǎng)景，而防火解決方案在建筑行業(yè)亦具應(yīng)用潛力。

本文由榮格獨(dú)家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Dipl.-Ing. Anne Laue，Dr. Rico Schmerler，Dr. Steven Eschig，Dipl.-Ing. Mike Kändler

來(lái)源：榮格-《國(guó)際塑料商情》

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