一种基于PSA胶带的全面策略，用于预防和缓解电池组的热失控现象

作者：Max VanRaaphorst，艾利丹尼森公司。

向电气化转型的趋势提升了对高性能电池的需求，进而加快了对可扩展热管理解决方案的迫切需求。尤其是当行业追求更高的能量密度和更快的充电速度时，这种情况更为明显，因为这些因素都会加剧热失控等故障带来的影响。

寻找并实现有效的散热解决方案是一项重大的工程挑战。现代电池组结构密集且复杂，所添加的材料必须具备高效性、轻量化特点，并且易于融入生产流程。诸如艾利丹尼森高性能胶带公司生产的耐用型多功能压敏胶带，正逐渐成为理想的材料选择。

压敏胶带简介

压敏胶带在众多行业中都有着出色的应用记录。凭借其多功能性、耐用性、轻质、薄型以及可扩展性，它们被广泛应用于各种场景。其即时固化特性使得可通过手工或自动化生产线快速进行粘贴操作。

PSA胶带的基础是粘合剂，通过特定的配方设计，可使其具备不同的强度与耐用性特性。这类粘合剂旨在抵御各种苛刻的应力，包括高温、化学物质以及机械力。

这类胶带还可根据需求进行定制，能带来多种优势。例如，可将胶带层压在云母片上以形成防火屏障，或层压在电介质膜上以起到电气绝缘作用。此外，这些胶带还可以通过冲压和模切加工，以满足各类电池组的设计要求。

电池组工程师为PSA胶带设计了众多应用场景，包括电芯连接系统、包裹材料、通风结构、压缩缓冲层、电气绝缘、垫片、粘接、密封以及导线管理。如今，胶带最关键的应用领域逐渐变为热管理。

关键的热管理挑战

为确保产品安全与长寿命，工程师必须克服三大核心热管理难题。尽管这些并非全部挑战，但它们与电池的性能、耐用性及安全性密切相关。

1. 在保障绝缘强度的同时促进热量传递

热量需要通过低阻路径从电池单元传导至冷却组件（如冷板或散热片）。但这类路径必须同时实现高压电池单元的电气隔离，以避免电弧放电和火灾风险。

热量传递遵循傅里叶热传导定律：Q = k * A * T/X。导热热阻（Rth）与厚度（X）成正比。在保持导热系数（k）不变的前提下尽量减小厚度，是提升热量传递速率（Q）的关键。

在导热性与介电性能之间取得平衡是材料工程领域的一个经典难题，因为提升导热性的特性往往与电气绝缘所需的特性相冲突。工程师需要能够在不牺牲可制造性的前提下同时优化这两种特性的热管理材料。

2. 在热失控时隔离电芯

现代电池组中，电芯之间几乎无法设置物理屏障或空气间隙，这使得隔离出现故障的电芯变得十分困难。工程师需要能够减缓或阻止热量传递的薄型材料，以便为安全系统提供足够的时间作出反应，从而降低整个电池组发生灾难性事故的概率。云母等材料是出色的绝缘体，但它们通常易碎，且难以集成到自动化装配流程中。

3. 控制释放的气体与火焰

当某个电芯发生故障时，其内部压力会上升，迫使热气、火焰及颗粒物逸出。若不加以控制，其他电芯也可能受到影响，从而导致电池组内部压力达到危险水平。工程师需要具备阻燃功能的屏障，既能实现可控的压力释放，又能降低单个电芯故障升级为灾难性事件的风险。

预防与缓解的三阶段策略

工程师需要采用多方面的热管理策略，以改善热量传递、隔离各个组件、控制异常情况，并妥善处理气体排放问题。

1. 在保持电气隔离的同时改善热量传递

Avery Dennison Volt Tough™系列胶带产品通过采用介电膜载体及适用于电芯、模块与冷却组件之间粘接的丙烯酸粘合剂，为解决这一问题提供了方案。

热固性介电粉末涂层通常需要250微米的厚度才能确保覆盖效果。而采用PET或聚酰亚胺薄膜制成的介电PSA胶带，仅需85微米的厚度即可达到相同甚至更高的击穿电压。在热导率相当的情况下，85微米厚的胶带相比涂层可使导热阻抗降低约66%，从而使热量从电池外壳传递到冷却液的速度提升近三倍，有效抑制快速充电时的电池温度峰值。

2. 建立能够缓解热失控的屏障

低热导率的PSA胶带可用于层压和封装云母、气凝胶或陶瓷纸等绝缘材料。这样的结构能够实现出色的隔热性能与机械强度的平衡。那些能够在短时间内承受接近500℃高温的粘合剂，可提供可靠的粘接效果。

Avery Dennison提供了专用的低释放衬里配方，使得这些胶带能够在高速自动化装配过程中使用，而不会损坏任何易碎的基材。

3. 电池失效时的气体与火焰控制

Avery Dennison的各向异性排气胶带为解决电池故障问题提供了理想的解决方案。这些胶带会被精确地粘贴在电池的排气口上。由于采用了阻燃涂层，其在受到火焰侵袭时两侧的破裂特性各不相同。在发生热失控时，胶带会破裂，使气体和火焰能够进入排气通道，同时防止这些气体影响周围的电池。

热力学影响：NMC与LFP电池化学体系

胶带的性能必须与相应电池化学体系的热力学失效模式相匹配。

镍锰钴（NMC）：这类正极材料的热稳定性较低，会在更低温度下引发热失控。发生故障时，正极会发生放热分解，释放出氧气从而助长燃烧，使表面温度升至800-1050℃。通风策略必须优先考虑引导火焰路径及偏转颗粒物。诸如Avery Dennison ES 3505这类胶带能迅速燃烧，将高速喷射物引向排气管道。而ES 3507这类陶瓷-橡胶复合胶带则可防止喷射物刺穿结构隔板。

磷酸铁锂（LFP）：LFP正极材料具有强共价键，因此热稳定性极高，起燃温度在270-300℃之间。它们不会释放氧气，故峰值温度较低（620-700℃）。不过这类反应会产生高浓度的氢气，这些氢气可能积聚并带来爆炸风险。排气策略应着重于快速排出未燃烧的气体。由于LFP反应产生的磨蚀性喷射物极少，轻质、压力驱动的模切式爆破阀极为有效。

为何选择艾利丹尼森？

Avery Dennison拥有丰富的PSA产品系列，同时为制造商提供可靠的支持，帮助他们开发定制化的热管理解决方案。我们的产品系列专为解决电池设计中最常见的难题而设计，包括降低可燃性（UL® 94 V-0标准）、提升介电强度以及优化组装流程。

我们还提供全方位的支持，包括使用测试设施的机会以及与行业专家的合作。作为一家总部位于美国且在全球各地都有强大业务布局的制造商，我们能够确保客户接入国内及国际供应链。

总结

防止和缓解热失控仍是一项重大的工程挑战，目前尚无简单且唯一的解决方案。要取得成功，需要采取多方面的策略，包括处理热量传递、热绝缘以及排放物质的管理。与功能性材料结合使用的PSA胶带应成为该策略的基础。

我们很高兴有机会与您探讨电池设计中的难题，并研究如何利用PSA胶带实现热管理。

如需进一步交流，请直接通过max.vanraaphorst@averydennison.com与我联系。您也可以访问www.tapes.averydennison.com/evbattery获取更多信息。

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