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 无卤阻燃材料:直击新能源汽车安全痛点

 发布时间:2021/10/20 13:52:44   信息来源:荣格塑料工业
面对日益严重的能源危机和环境污染问题,大力发展新能源汽车已成为国家发展的重要战略。

国内在应用推广、产业政策、技术创新、配套设施等方面不断发力,推动新能源汽车市场的爆发增长,已然成为全球最大新能源汽车市场,且仍有非常大的发展空间。2020年6月份新能源汽车产销分别完成了10.2万辆和10.4万辆,较5月分别增长21.4%和26.8%,根据新能源汽车市场规模模型预测分析,2030年中国市场新能源汽车产销量将超过1500万台。从这一数据可以看到,新能源汽车相比于传统汽车,是具有极大发展前景的新兴产业。


图1 2018年新能源汽车社会调研

新能源汽车在国内经历近20年的发展,体系逐渐完善,但仍旧存在许多问题,最常见的问题包括:因车桩比不足,公用充电站少等导致的充电不够便捷;由于动力电池能效还不够高,续航里程差,不适合于中长途旅行;主要因电池可燃性而产生的对整车安全性的忧虑。图1为2018年针对新能源汽车消费者开展的消费调查,消费者的关注点主要还是电池、充电设施及安全性等问题。在电池技术没有突破瓶颈的现阶段,汽车轻量化是提高电池能源利用效率、增加续航里程的主要方法,汽车整备质量每减少10%,电耗下降5.5%,续航里程增加5.5%。同时汽车质量的降低可减小汽车制动距离,提高安全性能。

在新能源汽车中,轻量化需求使得高分子材料在底盘及动力总成、汽车电子、内饰、外饰中有着越来越多的应用。但是,与此同时,近年来的新能源汽车起火事件频繁发生,导致对安全问题的关注越来越多。2019年1-8月,据不完全统计,国内至少还有19起新能源汽车起火事件。2019上半年,仅蔚来汽车一家就召回了4803辆存在安全隐患的汽车。事故主要原因有电池模组设计缺陷、电池充电中起火、电池碰撞后爆炸、空调故障爆裂等。如何提高电池包的火安全性能,成为新能源汽车急需解决的关键问题。

燃油车动力系统主要依靠燃油发动机,燃料的燃烧被约束在密闭的燃烧室中,发动机周边温度高,故而动力总成中高分子材料使用量相对较少;此外,燃油汽车的汽车电子部件通常为弱电使用环境,起火风险也相对较小。

阻燃

与燃油汽车不同,新能源汽车的可燃性风险要高出很多。其主要原因有二:其一是动力电池包及输电线缆的载荷高,更易导致因超载荷导致的起火,一旦动力系统自身起火,或因为周边材料起火而被引燃,极易造成火势的迅速扩大,甚至爆燃;其二是因为轻量化导致大量的高分子材料被应用于新能源汽车中,随着汽车轻量化的程度不断提高,汽车能效在提高的同时,火安全性下降。

图2 特斯拉起火

因此,新能源汽车的阻燃越来越受到关注和重视。新能源汽车阻燃材料近年来研究较多,已实现一定应用的包括充电桩、动力系统(动力电池及周边)以及内饰材料。

一、充电桩

充电桩虽然不是新能源汽车的车载系统,但它是配合新能源汽车进行充电行为的必备设施,因此作为新能源汽车系统配套设备在此进行讨论。由于充电桩在充电过程中载荷大,工作时间相对较长,且通常在充电过程中无人员值守,起火风险更高。针对于充电桩的实际使用需求情况,其材料的选择和对阻燃的需要有着各不相同的指标和要求。

1.1充电桩外壳

中国质量认证中心CQC于2016年4月发布的国内首个《电动汽车充电设施非金属材料外壳技术规范》,对充电桩的外壳材料的耐老化、阻燃、耐温、电气绝缘等方面的性能提出了指标上的建议。壳体材料不仅要满足防护外力作用的要求,故需要材料达到一定的强度,还要满足在阻燃性能和电性能以及耐候方面的要求。在指标上,通常需要阻燃等级达到1.5mmV-0等级;灼热丝起燃温度大于775℃;加速老化测试后,力学性能保持需大于70%。同时还需要外观美观,色牢度高等。通常,非金属的外壳阻燃材料会选用无卤阻燃的PC材料或者PC合金材料,参照PC的无卤阻燃需求,通常的无卤阻燃剂可以是磷酸酯类阻燃剂或者磺酸盐类阻燃剂。阻燃ABS也可以作为壳体材料,但无卤阻燃ABS的阻燃效果及整体性能的平衡性比溴系阻燃ABS的要差。

1.2充电电缆

在充电桩的充电线缆方面,高分子材料主要应用在线缆的内护层和外护套方面。目前用于充电电缆的材料很多,包括交联聚乙烯、交联乙丙橡胶、热塑性弹性体,当然有时还会选择PVC等有卤材料创制。在这些材料中,由于充电线缆经常被拖拽、绕曲,所以更偏向于采用柔软度较高的材料,如,TPE、TPU等是比较常被选用的充电电缆创制材料。无卤阻燃方面,采用烷基次磷酸铝的膨胀成炭体系最易创制出符合使用要求的产品。其他阻燃剂体系中,无机系的氢氧化镁、氢氧化铝填充量大,性能损失严重,材料易开裂;磷酸酯类影响绝缘性,也不常选用。充电桩用充电线缆的各项技术指标的设计要求,是从电缆行业中直接移植过来,国内现有的标准化体系建设尚不完全,因此导致采用各种不同类型树脂的情况都存在,但总体来说,烷基磷酸铝阻燃的弹性体的性能是最佳的。

1.3充电枪

充电枪是充电桩与新能源汽车的连接部件,本身除需阻燃性能、电性能、耐候性能优良以外,由于存在摔落和碾压等风险,因而对刚性和韧性也都有所要求。因此除阻燃需要达到常规的1.5mmV-0等级外,悬臂梁冲击强度需要大于60KJ/m2,灼热丝起燃温度大于775℃,同时还要兼顾外观。通常来说,充电枪(主要为外壳材料)考虑到外观手感及光泽度等,会选用PC或者PC的合金材料。在阻燃方面,由于基本与外壳材料有着类似的使用环境,因此与充电桩外壳基本相似,采用烷基次磷酸铝或者磺酸盐作为阻燃剂,得到阻燃改性的PC或者PC合金的材料,是最为常见也最多用的充电枪创制材料。

1.4连接器

除以上三个材料外,连接器是充电桩内另一个需要考虑阻燃性能的部件。充电桩的电子连接器由于用电载荷较大,故在普通连接器的基础上提出了更高的阻燃和电绝缘性能要求,包括阻燃性能要达到1.5mmV-0等级,灼热丝起燃温度大于775℃,无卤阻燃材料方面,与常用的连接器相似,通常还是选择PA、PBT等材料,无卤阻燃一般还是以烷基次磷酸铝体系阻燃剂为主。

二、动力电池系统

新能源汽车电池系统为新能源汽车提供了有效的能源以及动力,由上盖、下箱体、模组、铜排、BDU、BMU、接插件、防爆阀、冷却系统等部分构成。由于单个电池的电荷相对较小,需要的数量大,造成动力电池总成过重,约占汽车总重的25-30%,本身消耗了大量的电池效能,致使续航减少,甚至对车辆的操控都有不同程度的影响。动力电池包包括电池模块,电池托架以及外部箱体。传统电池包的箱体材料一般采用低碳钢钣金和焊接工艺加工而成,成本较低但质量较大,严重影响电池包系统能量密度的提高和新能源汽车的续航能力,在近年来随着汽车轻量化的推进,越来越多的非金属材料被应用于外部箱体和电池托架的创制。

2.1动力电池外部箱体

动力电池包是新能源汽车中最为核心和燃烧风险最大的部件,根据动力电池的结构,动力电池的电芯外部由外壳材料包裹,动力电池的燃烧反应发生在电池内部,灭火剂一般不能直接作用于电池内部。对于动力电池包而言,电池包的外壳材料阻挡了灭火剂对起火电芯的直接作用,灭火就更为困难。美标UL2580《电动汽车电池安规标准》对电池包材料的阻燃有严格的测试标准。标准规定壳体材料阻燃等级至少应达到UL94V-1级,但是国内现行的产品要求通常要达到1.6mmV-0等级,此外,对其加工性、尺寸稳定性、耐老化性、耐酸碱、力学性能以及阻燃性等都有较高的要求。

图3 汽车内饰(来源:NIO)

对于电池外部箱体材料,多以增强树脂体系为主,如PP-GF、PP-LFT、PAGF、PA-LFT等,材料强度更高,可以为电池模块提供更好的保护,根据基体树脂种类,其阻燃剂的选择亦有所不同。溴锑体系阻燃剂是常见的阻燃体系,包括十溴二苯乙烷、溴化聚苯乙烯等在内的阻燃剂加工性能优良。

PA基材的无卤阻燃可以采用烷基次磷酸铝体系阻燃剂,增强体系中,MCA阻燃效率通常无法满足使用需求,而较少用于该产品件的创制中。PP增强树脂类产品,常见的APP体系的阻燃剂通常来说阻燃效率差,添加量高,较少使用;尤其在电池包箱体中,由于增强材料的存在(通常为玻纤),APP阻燃剂的效率更差。与此相比,焦磷酸哌嗪阻燃剂的阻燃性能好,在增强体系中也有良好的表现,可以用于电池箱体的阻燃改性的。

2.2电池托架

新能源汽车动力电池包中,另外一个重要的部件是电池的托架,需要有较高的强度,以支撑电池的重量。同时,相比于其它部件而言,它距离电池模块的距离最近,在电池因各类原因起火后,电池托架是最先与火焰接触的部分之一,因此其在阻燃方面也有很高的要求。在材料选择方面,一方面要兼顾力学性能,另一方面要考虑阻燃和电性能。此外,电池供在电过程中释放的热量在箱体内积蓄,使得箱体内部有一定的温度,因此对材料的耐温性能也有一定的要求。基于如上考虑,一般电池托架会选用PA66-GF材料。针对这一类基体树脂材料,阻燃剂可供选择的空间不大,溴系阻燃一般还是选择常见的十溴二苯乙烷和三氧化二锑的经典组合,而无卤方面,基本没有什么太大的选择空间,还是以烷基次磷酸铝为主。

三、内饰材料

新能源汽车中的内饰(图3),如,中控平台、门板、立柱、仪表盘、座椅皮面、软垫及支撑、顶棚织物等大部分采用高分子材料,是新能源汽车中高分子材料用量最多的部分,包括各类塑料件、皮革、织物及发泡材料等。内饰也是与驾驶员及乘客最直接接触的部分,理论上对阻燃有着很高的要求。内饰材料根据不同部件的使用环境,所选择的材料范围很大,主要包括PP、PE、PVC、PET、ABS等,PU、PA、PC、PBT、PS等也有一些应用。燃油车的内饰材料通常是非阻燃的,加之国内对车内气味控制要求较高,阻燃材料通常的气味释放肯定是要大于非阻燃材料的,因此在已成体系的燃油车内饰方面,阻燃技术的应用推进十分缓慢。在新能源汽车中,由于可燃性风险更大,加之新能源汽车体系建立尚不健全,对阻燃材料的接受度要远远大于燃油车。

但在内饰应用中,国家没有强制标准要求企业必须选用阻燃材料,现行的标准大部分为测试方法的标准和CQC推荐标准。材料及至制品件供应商通常按照下游主机厂的企业标准提供产品,导致行业内质量良莠不齐。目前汽车内饰参照的阻燃标准是《汽车内饰材料的燃烧特性(GB8410-2006)》,但是该标准仅要求了水平燃烧速度不大于100mm/min。这是一个相对较低的标准,某些树脂如PBT虽然是易燃材料,却能够在不经阻燃处理的情况下通过该指标。因此,专门而有效的标准仍旧有待建立。

展望

伴随着新能源汽车的蓬勃发展和汽车轻量化概念的持续推进,高分子材料的阻燃特性被越来越多地考虑在内,最核心的原因还是由新能源汽车动力电池的存在导致的。

现行的阻燃剂,尤其是无卤阻燃剂,仍旧存在很多使用上的问题,如效率不高、加工性差,或安全性差等,因此对于更高性能的阻燃剂的开发一直是各类材料行业所期待的。与此同时,阻燃是一个系统工程,撇开整体单独探讨材料阻燃性能显然是不合适的。同样地,在新能源汽车领域,只强调材料的防火性能远远不够,它需要充放电控制技术、电池本质安全技术、材料阻燃技术以及现场管理等一系列相关技术的共同发展,只有如此,才能更有效地推动新能源汽车安全水平的有效提高。当然,材料作为基础环节,无疑在这一发展中占据着重要一环。材料无卤化是大趋势,但并不是说有卤材料在未来就应该被舍弃。

笔者认为,高分子材料的阻燃特性会得到越来越多的重视,而有卤无卤的竞争会因为各自在不同领域的优势及缺陷而达成平衡,最终实现共存共荣,共同为人类的防火安全提供保障。