TIM熱界面材料及膠黏劑在EV電池的應用

關鍵詞：TIM熱界面材料，膠粘產品，新能源汽車電池

導語：

熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）

選擇理想的熱界面材料需要關注如下因素：

1）熱導率：熱界面材料的體熱導率決定了它在界面間傳遞熱量的能力，減少熱界面材料本身的熱阻；

2）熱阻：理想情況下應盡可能低，以保持設備低于其工作溫度；

3）導電性：通常是基于聚合物或聚合物填充的不導電材料；

4）相變溫度：固體向液體轉變，界面材料填充空隙，保證所有空氣被排出的溫度；

5）粘度：相變溫度以上的相變材料粘度應足夠高，以防止在垂直方向放置時界面材料流動滴漏；

6）工作溫度范圍：必須適應應用環(huán)境；

7）壓力：夾緊產生的安裝壓力可以顯著改善TIM的性能，使其與表面的一致性達到最小的接觸電阻；

8）排氣：當材料暴露在高溫和/或低氣壓下時，這種現象是揮發(fā)性氣體的釋放壓力；

9）表面光潔度：填充顆粒影響著界面的壓實和潤濕程度，需要更好地填補了不規(guī)則表面的大空隙；

10）易于應用：容易控制材料應用的量；

11）材料的機械性能：處于膏狀或液態(tài)易于分配和打?。?/strong>

12）長期的穩(wěn)定性和可靠性：需要在設備的整個壽命周期內始終如一地執(zhí)行（如微處理器7-10年，航空電子設備和電信設備的壽命預計為數十年）；13）成本：針對不同應用，在性能、成本和可制造性等因素進行綜合權衡。

5G時代巨大數據流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時，引起了這些部位發(fā)熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當前5G射頻芯片、毫米波天線、AI、物聯網等領域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

致力于解決當前我國電子封裝及熱管理領域面臨的瓶頸技術問題，建立了國際先進的熱管理解決方案及相關材料生產技術，是國內低維材料技術領域頂尖的創(chuàng)新型研發(fā)團隊。本產品是國內首創(chuàng)自主研發(fā)的高質量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導熱、高柔性、低介電系數、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當前我國電子封裝及熱管理領域面臨的“卡脖子”問題，擁有國際先進的熱管理TIM解決方案及相關材料生產技術，是國內低維材料技術領域頂尖的創(chuàng)新型高科技產品。

產品的應用方向為5G通訊絕緣熱管理，主要目標市場可分為終端設備，智能工業(yè)，及新能源汽車三大板塊。5G技術是近年來最受矚目的關鍵科技，也是國內外重點發(fā)展的核心產業(yè)之一。隨著5G商用，工業(yè)4.0、智慧城市、無人駕駛等科技建設的推進，該項目已經初步形成了萬億的市場規(guī)模，并持續(xù)快速發(fā)展。

新能源汽車在不改變電池系統(tǒng)總能量的情況下，電池系統(tǒng)質量降低能夠有效提高其續(xù)航里程，電動汽車質量減10%，能提高續(xù)駛里程5.5%。電池系統(tǒng)重量在新能源汽車總重量中占有較大的比重。較傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動汽車核心的三電系統(tǒng)(電池、電機、電控)和智能化設備，使 得電動車相比同類車型電動乘用車重量增加10%-30%，電動商用車重量增加10%-15%，其中電池Pack整包占整車整備質量的18%～30%。材料迭代+結構優(yōu)化，輕量化結構件。以特斯拉Model3為例，電池Pack各主要部件中，質量最大的是電芯本體（62.8%），其次為Pack下箱體 （6.2%）、模組殼體及支架（12.3%）和BMS等部件集成系統(tǒng)（11.1%）等。從這些部件出發(fā)，通過材料替換和結構設計優(yōu)化，對電池進行輕 量化開發(fā)。Cell to Pack(CTP) ：減少或去除電池“電芯-模組-整包”的三級 Pack結構的技術。目前有兩種不同的技術路 線：以比亞迪刀片電池為代表的徹底取消模組 的方案；以寧德時代CTP技術為代表的小模組 組合成大模組的方案，提高了能量密度和體積 利用率。CTP中電芯熱失控管理難度加大，對內部結構導熱膠對模組散熱的要求，以及外部隔熱膠隔熱阻燃的要求更高。

TIM熱管理材料分類の紹介

一

概述

熱管理，包括熱的傳導、分散、存儲與轉換，正在成為一門新興的橫跨物理、電子和材料等的交叉學科，在電子、電池、汽車等行業(yè)都有特定的概念和含義，其中的熱管理材料發(fā)揮了舉足輕重的作用，與其它控制單元協(xié)同運作保證了工作系統(tǒng)正常運行在適當的溫度。

伴隨著5G、大數據、人工智能、物聯網、工業(yè)4.0、國家重大戰(zhàn)略需求等領域的技術發(fā)展，電子器件功率密度持續(xù)攀高，更急需高效的熱管理材料和方案來保證產品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持續(xù)穩(wěn)定性。熱管理材料是熱管理系統(tǒng)的物質基礎，而成分、結構及加工工藝對熱管理材料的核心技術指標熱傳導率有重大影響。

圖1 電子設備熱管理系統(tǒng)

二

TIM熱管理材料

2-1 熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）

選擇理想的熱界面材料需要關注如下因素：

1）熱導率：熱界面材料的體熱導率決定了它在界面間傳遞熱量的能力，減少熱界面材料本身的熱阻；

2）熱阻：理想情況下應盡可能低，以保持設備低于其工作溫度；

3）導電性：通常是基于聚合物或聚合物填充的不導電材料；

4）相變溫度：固體向液體轉變，界面材料填充空隙，保證所有空氣被排出的溫度；

5）粘度：相變溫度以上的相變材料粘度應足夠高，以防止在垂直方向放置時界面材料流動滴漏；

6）工作溫度范圍：必須適應應用環(huán)境；

7）壓力：夾緊產生的安裝壓力可以顯著改善TIM的性能，使其與表面的一致性達到最小的接觸電阻；

8）排氣：當材料暴露在高溫和/或低氣壓下時，這種現象是揮發(fā)性氣體的釋放壓力；

9）表面光潔度：填充顆粒影響著界面的壓實和潤濕程度，需要更好地填補了不規(guī)則表面的大空隙；

10）易于應用：容易控制材料應用的量；

11）材料的機械性能：處于膏狀或液態(tài)易于分配和打?。?/strong>

12）長期的穩(wěn)定性和可靠性：需要在設備的整個壽命周期內始終如一地執(zhí)行（如微處理器7-10年，航空電子設備和電信設備的壽命預計為數十年）；13）成本：針對不同應用，在性能、成本和可制造性等因素進行綜合權衡。

2-1-1 熱油脂（Thermal Greases）

通常由兩種主要成分組成，即聚合物基和陶瓷或金屬填料。硅樹脂因其良好的熱穩(wěn)定性、潤濕性和低彈性模量而被廣泛應用，陶瓷填料主要使用如氧化鋁、氮化鋁、氧化鋅、二氧化硅和鈹的氧化物等，常用的金屬填料如銀和鋁。將基礎材料和填料混合成可用于配合表面的糊狀物，當應用在“粗糙”的表面被壓在一起時，油脂會流進所有的空隙中以去除間隙空氣。

2-1-2 相變材料（Phase Change Materials, PCM）PCM傳統(tǒng)上是低溫熱塑性膠黏劑，通常在50-80°C范圍內熔化，并具有多種配置，以增強其導熱性；基于低熔點合金和形狀記憶合金的全金屬相變材料已經有研究發(fā)展。相變材料通常設計為熔點低于電子元件的最高工作溫度。熱墊（Thermal Pads）熱墊的關鍵是它們改變物理特性的能力。在室溫下，它們是堅固的，容易處理，當電子元件達到其工作溫度時，相變材料變軟，隨著夾緊壓力，它最終開始像油脂一樣流入接頭的空隙中，該材料填補了空氣間隙和空隙，改善了組件和散熱器之間的熱流。相比于油脂材料熱墊不受泵出效應和干問題困擾。低熔點合金（Low Melting Alloys, LMAs）基于低熔點合金（或稱為液態(tài)金屬）的相變熱界面材料，需要在低于電子元件工作溫度的液態(tài)狀態(tài)下才能流入所有的表面邊緣。低熔點合金具有優(yōu)異的導熱、導電性，而且性質穩(wěn)定、常溫下不與水反應，不易揮發(fā)、安全無毒。通過不同的配方可實現不同熔點、不同粘度、不同熱導率/電導率，以及不同物理形態(tài)的液態(tài)金屬材料。鉍、銦、鎵和錫基合金（如鎵鋁合金、鎵鉍合金、鎵錫合金、鎵銦合金）是最常用的合金，通常不使用有毒性和環(huán)境問題的鎘、鉛和汞基合金。形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA）將一種或多種形狀記憶合金顆粒分散在熱油脂中，并在設備工作溫度下應用于熱源和散熱器之間的界面，研究表明形狀記憶合金增強了電子器件與散熱器之間的熱接觸。在電子器件使用過程中，溫度的升高使形狀記憶合金由低溫馬氏體相變?yōu)楦邷貖W氏體相變。片狀剝離粘土（Exfoliated Clay）將一種或多種聚合物、導熱填料和剝離粘土材料組成一種相變材料，在粘土剝離成熱界面材料的過程中，粘土顆粒彌散成長徑比大于200且表面積大的片狀結構。由于高長徑比，只需要少量顆粒小于10wt%的粘土顆粒就能顯著提高TIM的熱性能；也有人認為，這些粒子減緩了氧氣和水通過界面材料的擴散和減慢了揮發(fā)性組件的釋放速度，從而減少了泵出和干出，提高了TIM的可靠性和性能。熔絲/不熔的填料（Fusible/Non-Fusible Fillers）將硅樹脂等聚合物與可熔性填料（如焊料粉末）結合而成的混合物TIM，在固化過程中，焊料顆粒回流融合在一起形成高導熱網絡結構。還可以在相變材料中添加難熔填料，以形成易熔和難熔填料的混合物，從而增強TIM的機械性能。當熱通過滲透（即點對點的顆粒接觸）傳導時，不可熔顆粒也會增加基體的熱導率。測試的非易熔顆粒填料材料包括氧化鋅、鋁、氮化硼、銀、石墨、碳纖維、金剛石和金屬涂層填料，如金屬涂層碳纖維或金屬涂層金剛石，在熱界面材料中，推薦易熔填料比例為60-90wt%和非易熔填料比例為5-50wt%。

2-1-3熱傳導彈性體（Thermally Conductive Elastomers）熱傳導彈性體（或稱為凝膠，Gels）通常由填充有熱傳導陶瓷顆粒的硅彈性體組成，可以用編織玻璃纖維或電介質膜等增強機械強度。彈性體通常用于需要電絕緣的設備中，彈性材料的TIMs不像油脂可自由流動，為了符合表面的不規(guī)則性，需要足夠的壓縮載荷來變形。在低壓力下，彈性體不能填充表面之間的空隙，熱界面電阻高；隨著壓力的增加，彈性體填充了更多的微觀空隙，熱阻減小。若組裝完成，就需要永久性的機械緊固件來保持連接，所獲得的熱阻取決于厚度、夾緊壓力和體積導熱系數。

2-1-4 碳基熱界面材料（Carbon Based TIMS）碳纖維/納米纖維（Carbon Fibre/Nano-Fibre）通過精密切割連續(xù)的高導熱碳纖維束和靜電植絨纖維排列在基材上，并用一層薄薄的未固化粘合劑固定形成一個天鵝絨一樣的結構?；陌ń饘俨⒕酆衔锖蛶в姓澈蟿┑奶计?，如硅樹脂、環(huán)氧樹脂和陶瓷粘合劑纖維，它們可以獨立彎曲以跨越局部間隙，同時需要較低的接觸壓力以確保每根纖維都能接觸兩個表面。石墨片（Graphite Flakes）把蠕蟲石墨在沒有粘合劑的情況下壓縮在一起，形成一個有粘性的高純度石墨薄片，這些柔性材料最初是用于流體密封的墊片（如內燃機的封頭墊片），由于石墨片材料具有天然的多孔性，將其浸漬礦物油或合成油等聚合物可用于開發(fā)特定等級的高性能柔性石墨片用于TIM應用。碳納米管（Carbon Nanotubes）結合碳納米管結構及導熱特性，它在熱管理技術中潛在的應用方向主要包括：(1) 將碳納米管作為添加劑改善各種聚合物基體內的熱傳遞網絡結構，進而發(fā)展高性能導熱樹脂、電子填料或黏合劑；(2) 構建自支撐碳納米管薄膜結構, 通過調制碳納米管取向分布實現不同方向的傳熱；(3) 發(fā)展碳納米管豎直陣列結構，通過管間填充、兩端復合實現熱量沿著碳納米管高熱導率的軸向方向傳輸，以期為兩個界面間熱的輸運提供了有效的通道開發(fā)高性能[3]。最常見的基于碳納米管TIMs主要分為三類，按照制造復雜性的順序排列如下：碳納米管和碳納米管與金屬顆粒在聚合物基體中的均勻混合，碳納米管在襯底上的垂直排列生長，以及在芯片和熱分布器之間的兩面排列生長。在碳納米管TIMs中，碳納米管各向異性的結構物性特點及與其它材料接觸界面熱阻過大的問題是需要研究者們重點關注研究的方向。電子裝置的總熱阻通常包括裝置本身對環(huán)境的熱耗散和TIM之間的接觸熱阻。而功率損耗的增加是一種趨勢，將需要具有更高性能、最低熱阻和長期可靠性的熱界面材料。

石墨烯（Graphene）石墨烯熱界面材料主要以石墨烯或石墨烯與碳納米管、金屬等復合作為導熱填料，材料基體主要以環(huán)氧樹脂（導熱膠黏劑）為主要研究方向，其它基體如硅油、礦物油、硅橡膠、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯作為導熱填料的原料主要包括石墨烯片、剝離膨脹石墨烯片層、單層和多層石墨烯、單壁碳納米管和石墨烯、多壁碳納米管和石墨烯、聯苯胺功能化石墨烯、石墨烯和銀顆粒及氧化石墨烯等添加形式。單層或少層石墨烯還可以用于高功率電子器件散熱，如將化學氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯轉移到高功率芯片上。其散熱效果取決于石墨烯片的大小及層數，且在轉移過程中易引入雜質或產生褶皺和裂紋，也會影響石墨烯散熱效果。提高CVD法制備的石墨烯質量和優(yōu)化轉移方法減少其轉移過程中的損壞，或直接將石墨烯生長在功率芯片表面，是提高石墨烯散熱效果的主要方法。將石墨烯制備成宏觀薄膜應用于熱管理中也是一種重要的途徑，主要方法有：將液相剝離石墨烯經過旋涂、滴涂、浸涂、噴涂和靜電紡絲等方式成膜；將氧化石墨烯通過高溫還原或者化學還原成膜；將石墨烯和碳纖維復合成膜；或者將石墨烯薄膜制備成三維形狀成膜等。石墨烯需要和器件基板接觸，因此減少石墨烯薄膜和基板間的接觸熱阻是石墨烯熱管理應用必須考慮的問題，如采用共價鍵、功能化分子等方式。石墨烯薄膜性能和價格有優(yōu)勢才能取代目前主流的石墨膜（PI）散熱片，這對石墨烯薄膜產業(yè)化是一個極大的挑戰(zhàn)。

三

封裝材料

電子封裝材料是半導體芯片與集成電路連接外部電子系統(tǒng)的主要介質，對電子器件的使用影響重大。理想的電子封裝材料應滿足如下性能要求：（1）高的熱導率，保證電子器件正常工作時產生的熱量能及時散發(fā)出去；（2）熱膨脹系數需要與半導體芯片相匹配，避免升溫和冷卻過程中由于兩者不匹配而導致的熱應力熱應力損壞；（3）低密度，用在航天、軍事等方面，便于攜帶；（4）綜合的力學性能，封裝材料對電子元器件需起到支撐作用。

圖2 典型封裝材料的熱膨脹系數及熱導率與密度比值3-1 焊料

鉛錫焊料由于熔點低、性價比高等特點成為低溫焊料中最主要的焊料系列，但由于所含鉛的比例高給環(huán)境帶來了嚴重的污染，世界各國都在對性能相近或更高的無鉛焊料進行重點研究。

新的元素添加到基于Sn體系中有如下基本要求：1）降低純錫表面張力，提高潤濕性；2）使焊料和基體之間通過擴散快速形成金屬間化合物；3）提高Sn的延性；4）防止b-Sn轉變?yōu)閍 -Sn，導致不必要的體積變化，降低焊料的結構完整性和可靠性；5）在液相可以轉變?yōu)閮煞N或兩種以上固相的情況下，用共晶或近共晶成分保持熔點在183℃左右；6）改善機械性能（如蠕變、熱-機械疲勞、振動和機械沖擊、剪切和熱老化）；7）防止錫晶須過度生長。

已被人們研究的可替代Sn-Pb體系中鉛的金屬有Ag、Bi、Cd、Cu、In、Sb、Zn、Al等，主要被研究開發(fā)的合金體系有：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu-Bi、Bi–In、Sn–In、Sn –Bi、Sn–Bi–In、Sn–Zn–Bi、Sn–Zn等系列，另外活性納米粒子（如Co、Ni、Pt、Pd、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb、Au、TiO 2、SiC、Al2O3、SWCNT、SiO2、Cu–Zn、Cu6Sn5、Ag3Sn等）的添加可以改變焊料的微觀結構、熔化溫度、潤濕性和機械性能。

無論在學術研究還是工業(yè)應用，由于高或低的熔點、高界面生長、低潤濕性、低耐蝕性和成本等問題，很難用任何一種焊料合金來代替所有的Sn-Pb焊料?，F實的解決方案可能是通過與其他合金元素相結合來進行適當的應用，或者通過研究焊料合金的物理冶金和加工條件，改善焊料的微觀結構和可靠性，及尋找具有良好重復性的工業(yè)規(guī)模合成路線等。

3-2 聚合物基復合材料

導熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導熱聚合物材料方向，

聚合物基體主要有：HDPE、UHMWPE、LCP、POM、LDPE、EVA、PPS、PBT、PTFE、PA66、PA6、PEEK、PSU、PMMA、PC、TPU、ABS、PVC、PVDF、SB、SAN、PET、PS、PVDC、PIB、PP、PI；

導熱填料類型主要有：（1）金屬類，如銅、銀、金、鎳和鋁等；（2）碳類，如無定型碳、石墨、金剛石、碳納米管和石墨烯等；（3）陶瓷類，如氮化硼（BN）、氮化鋁（A1N）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化鎂（MgO）、氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）、氧化硅（SiO2）等。填料的添加量、形狀、尺寸、混合比例、表面處理及取向、團聚、網絡結構等都對聚合物基復合材料的熱導率有很大的影響。

聚合物基復合材料有如下特性：1）可通過選擇適當的填料來控制電氣絕緣和電氣傳導；2）易加工的整體零件或復雜的幾何形狀；3）重量輕；4）耐腐蝕；5）若使用柔性聚合物，則須符合相鄰粗糙表面的幾何形狀；6）聚合物復合材料的回彈性會引起振動阻尼。聚合物基復合材料不僅應用于電子封裝，還應用于LED器件、電池和太陽電池等。

3-2 金屬基復合材料

金屬基復合材料通過改變增強相種類、體積分數、排列方式或復合材料的熱處理工藝，能夠實現熱導率高、熱膨脹系數可調的功能，并綜合金屬基體優(yōu)良的導熱性、可加工性和增強體高導熱、低熱膨脹的優(yōu)點，能夠制備出熱物理性能與電子器件材料相匹配的封裝材料。

金屬基復合材料導熱性能的主要影響因素為增強體和金屬基體的物性，如種類、含量、形狀、尺寸及純度等。目前工藝成熟且性能穩(wěn)定得到廣泛應用的是高體積分數SiC顆粒增強鋁基復合材料（熱導率達200W/（m·K）、熱膨脹系數為7.8×10-6K-1，密度僅為3.0g/cm3），而為了開發(fā)熱導率更高的金屬基復合材料，目前主要的研究方向是金剛石、石墨烯等增強的鋁基、銅基和銀基復合材料，但此類金屬基體與金剛石或石墨烯之間潤濕性較差，界面效應成為制約其性能的瓶頸。

3-2-1單項增強體金屬基復合材料

纖維：包括碳纖維增強銅基和鋁基復合材料（Cf/Cu、Cf/Al、），碳化硅纖維增強銅基復合材料（SiCf/Cu），以及金剛石纖維增強鋁基復合材料，材料體中纖維以空間隨機分布、平面隨機分布和單向分布。

片體：如石墨片、石墨烯納米片等二維平面結構材料。

顆粒：常見的有石墨顆粒、硅顆粒、碳化硅、金剛石等，其中Si/Al，SiC/Al廣泛應用于電子封裝工業(yè)。

網絡互穿：增強相與基體相在空間都保持連續(xù)分布，從而可弱化復合界面對材料熱學性能的顯著影響，如C/Al、（SiC+C）/Al、CNTs/Cu等復合材料。

3-2-2 混雜增強體金屬基復合材料

顆粒-顆粒：包括雙粒度同質顆粒、雙粒度異質顆粒和等粒徑異質顆粒等，如雙粒度SiC/Al、等粒徑（Dia+SiC）/Al等復合材料。

顆粒-片體：理論上有望彌補片體各向異性和顆粒增強效率低，同時發(fā)揮片體在半導體器件平面方向上的低膨脹與顆粒高導熱的作用，或者實現片體在平面方向上的高導熱與顆粒抑制熱膨脹的作用相匹配，如石墨片+碳化硅浸滲液相鋁合金復合材料。

納米材料：不僅有優(yōu)異的力學性能、極低的熱膨脹系數，而且具有很高的導熱性能，如碳納米纖維、碳納米管、石墨烯納米片、納米金剛石等。利用粉末冶金方法、片狀粉末冶金方法、選擇性涂布浸漬、金屬箔冷軋退火等工藝，可制備如納米項增強材料如碳納米管與金屬粉末（銅粉末）、片狀粉末冶金（CNTs/Al、CNTs/Cu及GNS/Al）等復合材料。納米相表面金屬化有望改善由納米相豐富的比表面積和金屬基體穩(wěn)定的化學性質帶來的界面結合困難問題，常用方法有（電）化學鍍銅、鍍鎳等]。

3-3相變材料

相變材料（Phase Change Materials, PCM）是利用物質在相變（如凝固/熔化、凝結/汽化、固化/升華等）過程發(fā)生的相變熱來進行熱量的儲存和利用的潛熱存儲材料。

圖3 儲能材料的分類

PCM根據其化學成分可歸類為有機和無機相變材料。有機相變材料主要由烷烴制成，包括石蠟、脂肪醇 、脂肪酸、蠟及烷烴基合金等；無機相變材料包括熔鹽、鹽水合物和金屬等；另一類相變材料包括有機-無機、無機-無機和有機-有機化合物的共晶混合物。

無機共晶混合物適用于高溫熱存儲系統(tǒng)，如集中太陽能熱電廠；有機共晶體適用于低溫儲熱，如維持建筑溫度，用于電池組的熱管理系統(tǒng)等；石蠟、脂肪酸和脂肪醇等有機化合物熔點低（10?60℃），適用于家用熱存儲。直鏈烴石蠟具有熔融熱高、低蒸氣壓、化學惰性、無相分離的自發(fā)成核等理想特性，是目前研究最多的有機PCM 之一，但石蠟的熱導率僅為0.2W/(m·K )，增加了其熔化時間以及蓄熱系統(tǒng)的充熱時間，因此向石蠟中加入高熱導率填料形成PCM復合材料是研究的一個熱點。

PCM材料要注意的問題:

1、傳統(tǒng)的PCM性質分析方法局限性：1）分析少量樣本（1-10毫克），盡管PCMs的某些行為取決于其數量；2）分析儀器復雜而昂貴；3）無法直觀觀察到相變。

2、長期穩(wěn)定性：1）PCM-容器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，儲存材料和容器的長期穩(wěn)定性不足是限制潛熱儲存廣泛使用的一個問題。一個相關的方面是這些系統(tǒng)的使用壽命，以及它們在不降低性能的情況下能夠承受的循環(huán)次數；2）材料腐蝕，大多數關于鹽水合物腐蝕試驗的文獻都是用稀釋的鹽水合物進行的，通常在化學工業(yè)中使用，只有少數結果是基于對實驗裝置的觀察；3）材料封裝，如不同的幾何形狀，有機共晶的結晶過程，不同組分比例的包封，封裝濃縮空隙，微膠囊化等。

四

隔熱材料

隔熱材料主要是指具有絕緣性能、對熱流可起屏蔽作用的材料或材料復合體，通常具有質輕、疏松、多孔、導熱系數小的特點，工業(yè)上廣泛用于防止熱工設備及管道的熱量散失，或者在冷凍和低溫條件下使用，因此又被稱為保溫或保冷材料，同時由于其多孔或纖維狀結構具有良好的吸聲功能，也廣泛用于建筑行業(yè)。

4-1 材質分類

隔熱材料依據材質可分為無機隔熱材料、有機隔熱材料、金屬及其夾層隔熱材料。

無機材料：（1）天然礦物，如石棉、硅藻土等；（2）人造材料，如陶瓷棉、玻璃棉、多孔類隔熱磚和泡沫材料。此類材料具有不腐爛、不燃燒、耐高溫等特點，多用于熱工設備及管道保溫。

有機材料：（1）天然有機類，如軟木、織物纖維、獸毛等；（2）人造或合成有機類，如人造纖維、泡沫塑料、泡沫橡膠等；（3）蜂窩材料，如蜂窩紙、蜂窩板。此類材料具有導熱系數極小、耐低溫、易燃等特點，適用于普冷下的保冷材料。

金屬及其夾層隔熱材料：（1）金屬材料，如銅、鋁、鎳等箔材；（2）金屬箔與有機或無機材料的夾層（或蜂窩）復合材料。此類材料具有很高的紅外輻射反射率，主要應用于航空航天中的高溫熱防護領域。

4-2 形態(tài)分類

隔熱材料依據材料形態(tài)分為多孔隔熱材料、纖維狀隔熱材料、粉末狀隔熱材料和層狀隔熱材料。

多孔材料又稱泡沫隔熱材料，具有質量輕、絕緣性能好、彈性好、尺寸穩(wěn)定、耐穩(wěn)定性差等特點，主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡膠、硅酸鈣、輕質耐火材料等。

纖維狀隔熱材料又可分為有機纖維、無機纖維、金屬纖維和復合纖維等，工業(yè)上主要應用的是無機纖維，如石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、晶質氧化鋁纖維等。

粉末狀隔熱材料主要有硅藻土、膨脹珍珠巖及其制品，主要應用在建筑和熱工設備上。

4-3 新型隔熱材料

4-3-1 氣凝膠保溫隔熱材料

氣凝膠通常是指以納米量級超微顆粒相互聚集構成的納米多孔網絡結構，并在網絡孔隙中充滿氣態(tài)分散介質的輕質納米固態(tài)材料，孔隙率高達80%~99.8%，密度低至0.003g/cm3，常溫熱導率低于空氣，是一種較為理想的輕質、高效隔熱材料。

氣凝膠隔熱材料主要包括SiO2氣凝膠、ZrO2氣凝膠、Al2O3氣凝膠、Si-C-O氣凝膠及碳基氣凝膠（如石墨烯氣凝膠）等，在建筑、石化、航空航天等領域有廣泛使用。如民用領域的氣凝膠透明玻璃墻體、硅氣凝膠夾芯板及柔性氣凝膠隔熱氈等，廣泛應用于管道、飛機、汽車等保溫體系中；航天航空領域的陶瓷纖維-氣凝膠復合隔熱瓦等。

4-3-2 碳質保溫隔熱材料

碳氈是一種低強碳纖維，主要可由聚丙烯腈纖維、瀝青（石油瀝青和煤瀝青）碳纖維、酚醛纖維、纖維素（即粘膠人造絲）纖維等制成，其導熱系數小、熱容量低、密度小、線膨脹系數小、耐高溫、耐熱沖擊強、耐化學腐蝕性強、高純無污染等優(yōu)異特性，主要應用于晶體硅鑄錠爐、柴油車尾氣過濾器用陶瓷燒結、金屬熱處理、稀土類磁性材料制造、半導體晶圓生產設備、真空電阻爐、感應爐、燒結爐、熱處理爐等。

4-3-3 復合保溫隔熱材料

復合硅酸鹽保溫材料具有可塑性強、導熱系數低、耐高溫、漿料干燥收縮率小等特點，主要有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復合材料等。海泡石保溫隔熱材料是復合硅酸鹽保溫材料中的佼佼者，硅酸鋁耐火纖維可以制作薄層陶瓷纖維隔熱層，或者纖維墊、纖維氈、纖維板、纖維紙、纖維繩及織物等，可廣泛用于航空航天領域等。

隔熱保溫材料是節(jié)約能源的一個有效手段，開發(fā)科技含量高、性能優(yōu)良且穩(wěn)定、使用壽命長、制造成本低、環(huán)境友好的隔熱材料是未來發(fā)展的重點和熱點，其中憎水性保溫隔熱材料（如硅酸鹽材料）、泡沫類保溫隔熱材料（如應用于核工業(yè)的泡沫陶瓷、建筑隔熱的泡沫玻璃等）、環(huán)境友好型保溫隔熱材料（如利用粉煤灰制備熱工窯爐用隔熱材料）等是主要的發(fā)展方向。

五

熱電材料

圖4 熱電制冷器件

熱電制冷器件是利用熱電材料的Peltier效應，可以在通入電流的條件下將熱從高溫端轉移到低溫端，實現電到熱的轉化，提高電子模塊封裝的冷卻效果，從而減少芯片結溫或適應更高的功耗。理想的熱電材料需要高的無量綱優(yōu)值（zT），即低的熱導率、高的功率因子；熱電制冷器件具有小巧、無噪音、沒有活動部件等優(yōu)勢、還可以進行主動溫度控制，是固態(tài)激光器、焦平面特測器陣列等必備冷卻裝置，還可以利用Peltier效應的逆效應Seebeck效應將汽車尾氣等熱能轉化為電能[3]。

熱電制冷器件可調節(jié)的熱流量大小有限，能效比（Coefficient of Performance，COP）要比傳統(tǒng)的冷凝系統(tǒng)低，并依賴于應用環(huán)境（通常小于1），意味著熱電制冷器件所消耗的電能相當/或大于元器件被冷卻的功率耗散，這些缺點主要是由于熱電材料本身的局限所致，所以熱電制冷器件目前僅應用在相對較低的熱流量場合。為了改善熱電制冷器件的性能，開發(fā)高性能的熱電材料是業(yè)界主要的研究方向之一。

圖5 n型（a）及 P型（b）典型熱電材料的無量綱優(yōu)值 zT

六

小結

從工程應用的角度而言，對于熱管理材料的要求是多方面的。例如，希望熱界面材料在具有高熱導率的同時保持高的柔韌性和絕緣性；對于高導熱封裝材料，則希望高的熱導率和與半導體器件相匹配的熱膨脹率；對于相變儲熱材料，則希望高的儲熱能力和熱傳導能力。為了同時兼顧這些特性，將不同的材料復合化在一起從而達到設計要求的整體性能是熱管理材料的發(fā)展趨勢，性能主要影響因素有增強體的物性（熱導率、熱膨脹率、體積分數、形狀及尺寸）、基體的物性（熱導率和熱膨脹率等）、增強體/基體的界及增強體在基體中的空間分布（彌散或連續(xù)分布）。
近來人們研究發(fā)現，材料的非均勻復合構型（如混雜、層狀、環(huán)狀、雙峰、梯度、多孔、雙連續(xù)/互穿網絡、分級、諧波等）更有利于發(fā)揮復合設計的自由度和復合材料中不同組元間的協(xié)同耦合效應，復合界面（亞微米尺度界面層）的微觀結構精細調控（化學成分、結合狀態(tài)、微觀結構及物相組成等）影響著界面處產生的界面應力、界面化學反應、界面組分偏析、界面結晶等界面效應，導致界面處熱及力學性能的不同，從而顯著影響到復合材料的熱導率及熱膨脹率，這些已經成為熱管理材料復合化研究的主要方向。

膠水（膠粘劑）の紹介

一

膠粘劑的組成

現在使用的膠粘劑是采用多種組分合成樹脂膠粘劑，單一組分的膠粘劑已不能滿足使用中的要求。合成膠粘劑由主劑和助劑組成，主劑又稱主料、基料或粘料；助劑有固化劑、稀釋劑、增塑劑、填料、偶聯劑、引發(fā)劑、增稠劑、防老劑、阻聚劑、穩(wěn)定劑、絡合劑、乳化劑等，根據要求與用途還可以包括阻燃劑、發(fā)泡劑、消泡劑、著色劑和防霉劑等成分。
1.主劑主劑是膠粘劑的主要成分，主導膠粘劑粘接性能，同時也是區(qū)別膠粘劑類別的重要標志。主劑一般由一種或兩種，甚至三種高聚物構成，要求具有良好的粘附性和潤濕性等。2.助劑為了滿足特定的物理化學特性，加入的各種輔助組分稱為助劑，例如：為了使主體粘料形成網型或體型結構，增加膠層內聚強度而加入固化劑(它們與主體粘料反應并產生交聯作用)；為了加速固化、降低反應溫度而加入固化促進劑或催化劑；為了提高耐大氣老化、熱老化、電弧老化、臭氧老化等性能而加入防老劑；為了賦予膠粘劑某些特定性質、降低成本而加入填料；為降低膠層剛性、增加韌性而加入增韌劑；為了改善工藝性降低粘度、延長使用壽命加入稀釋劑等。包括：
1）固化劑2）增韌劑3）稀釋劑4）填料5）改性劑

二

膠粘劑的分類

（一）、按成分來分：

膠粘劑種類很多，比較普遍的有：脲醛樹脂膠粘劑、聚醋酸乙烯膠粘劑、聚丙烯酸樹脂膠粘劑,聚丙烯酸樹脂、聚氨酯膠粘劑、熱熔膠粘劑、環(huán)氧樹脂膠粘劑、合成膠粘劑等等。

1、有機硅膠粘劑

是一種密封膠粘劑，具有耐寒、耐熱、耐老化、防水、防潮、伸縮疲勞強度高、永久變形小、無毒等特點。近年來，此類膠粘劑在國內發(fā)展迅速，目前我國有機硅膠粘劑的原料部分依靠進口。

2、聚氨酯膠粘劑

能粘接多種材料，粘接后在低溫或超低溫時仍能保持材料理化性質，主要應用于制鞋、包裝、汽車、磁性記錄材料等領域。

3、聚丙烯酸樹脂

主要用于生產壓敏膠粘劑，也用于紡織和建筑領域。

建筑用膠粘劑：主要用于建筑工程裝飾、密封或結構之間的粘接。

4、 熱熔膠粘劑

根據原料不同，可分為EVA熱熔膠、聚酰胺熱熔膠、聚酯熱熔膠、聚烯烴熱熔膠等。目前國內主要生產和使用的是EVA熱熔膠。聚烯烴系列膠粘劑主要原料是乙烯系列、SBS、SIS共聚體。

5、環(huán)氧樹脂膠粘劑

可對金屬與大多數非金屬材料之間進行粘接，廣泛用于建筑、汽車、電子、電器及日常家庭用品方面

6、脲醛樹脂、酚醛、三聚氰胺－甲醛膠粘劑

主要用于木材加工行業(yè)，使用后的甲醛釋放量高于國際標準。

木材加工用膠粘劑：用于中密度纖維板、石膏板、膠合板和刨花板等

7、合成膠粘劑

主要用于木材加工、建筑、裝飾、汽車、制鞋、包裝、紡織、電子、印刷裝訂等領域。目前，我國每年進口合成膠粘劑近20萬噸，品種包括熱熔膠粘劑、有機硅密封膠粘劑、聚丙烯酸膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、汽車用聚氯乙烯可塑膠粘劑等。同時，每年出口合成膠粘劑約2萬噸，主要是聚醋酸乙烯、聚乙烯酸縮甲醛及壓敏膠粘劑。

（二）、按用途來分：

1、密封膠粘劑

主要用于門、窗及裝配式房屋預制件的連接處。高檔密封膠粘劑為有機硅及聚氨酯膠粘劑，中檔的為氯丁橡膠類膠粘劑、聚丙烯酸等。在我國，建筑用膠粘劑市場上，有機硅膠粘劑、聚氨酯密封膠粘劑應是今后發(fā)展的方向，目前其占據建筑密封膠粘劑的銷售量為30％左右。

2、建筑結構用膠粘劑

主要用于結構單元之間的聯接。如鋼筋混凝土結構外部修補，金屬補強固定以及建筑現場施工，一般考慮采用環(huán)氧樹脂系列膠粘劑。

3、汽車用膠粘劑

分為4種，即車體用、車內裝飾用、擋風玻璃用以及車體底盤用膠粘劑。

目前我國汽車用膠粘劑年消耗量約為4萬噸，其中使用量最大的是聚氯乙烯可塑膠粘劑、氯丁橡膠膠粘劑及瀝青系列膠粘劑。

4、包裝用膠粘劑

主要是用于制作壓敏膠帶與壓敏標簽，對紙、塑料、金屬等包裝材料表面進行粘合。紙的包裝材料用膠粘劑為聚醋酸乙烯乳液。塑料與金屬包裝材料用膠粘劑為聚丙烯酸乳液、VAE乳液、聚氨酯膠粘劑及氰基丙烯酸酯膠粘劑。

5、電子用膠粘劑

消耗量較少，目前每年不到1萬噸，大部分用于集成電路及電子產品，現主要用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機硅膠粘劑。用于5微米厚電子元件的封端膠粘劑我們可以自己供給，但3微米厚電子元件用膠粘劑需從國外進口。

6、制鞋用膠粘劑

年消費量約為12.5萬噸，其中氯丁橡膠類膠粘劑需要11萬噸，聚氨酯膠粘劑約1.5萬噸。由于氯丁橡膠類膠粘劑需用苯類作溶劑，而苯類對人體有害，應限制發(fā)展，為滿足制鞋業(yè)發(fā)展需求，采用聚氨酯系列膠粘劑將是方向。

（三）、按物理形態(tài)來分：

1、密封膠

1.1 按密封膠硫化方法分類

（1）濕空氣硫化型密封膠

此類密封膠系列用空氣中的水分進行硫化。它主要包括單組分的聚氨酯、硅橡膠和聚硫橡膠等。其聚合物基料中含有活性基團，能同空氣中的水發(fā)生反應，形成交聯鍵，使密封膠硫化成網狀結構。

（2）化學硫化型密封膠

雙組分的聚氨酯、硅橡膠、聚硫橡膠、氯丁橡膠和環(huán)氧樹脂密封膠都屬于這一類，一般在室溫條件下完成硫化。某些單組分的氯磺化聚乙烯和氯丁橡膠密封膠以及聚氯乙烯溶膠糊狀密封膠則須在加熱條件下經化學反應完成硫化。

（3）熱轉變型密封膠

用增塑劑分散的聚氯乙烯樹脂和含有瀝青的橡膠并用的密封膠是兩個不同類型的熱轉變體系。乙烯基樹脂增塑體在室溫下是液態(tài)懸浮體，通過加熱轉化為固體而硬化；而橡膠-瀝青并用密封膠則為熱熔性的。

（4）氧化硬化型密封膠

表面干燥的嵌逢或安裝玻璃用密封膠主要以干性或半干性植物油或動物油為基料，這類油料可以是精制聚合的、吹制的或化學改性的。

（5）溶劑揮發(fā)凝固型密封膠

這是以溶劑揮發(fā)后無粘性高聚物為基料的密封膠。這一類密封膠主要有丁基橡膠、高分子量聚異丁烯、一定聚合程度的丙烯酸酯、氯磺化聚乙烯以及氯丁橡膠等密封膠。

1.2 按密封膠形態(tài)分類

（1）膏狀密封膠

此類密封膠基本上用于靜態(tài)接縫中，使用期一般為2年或2年以上。通常采用3種主體材料：油和樹脂、聚丁烯、瀝青。

（2）液態(tài)彈性體密封膠

此類密封膠包括經硫化可形成真正彈性狀態(tài)的液體聚合物，它們具有承受重復的接縫變形能力。彈性體密封膠所使用的聚合物彈性體包括液體聚硫橡膠、巰端基聚丙烯醚、液體聚氨酯、室溫硫化硅橡膠和低分子丁基橡膠等。該類密封膠通常配合成兩個組分，使用時將兩個組分混合。

（3）熱熔密封膠

熱熔密封膠又叫熱施工型密封膠。指以彈性體同熱塑性樹脂摻合物為基料的密封膠。這類密封膠通常在加熱（150～200℃）情況下經一定口型模型直接擠出到接縫中。熱施工可改進密封膠對被粘基料的濕潤能力，因此對大多數被粘基料具有良好的粘接力。一經放入適當位置，就冷卻成型或成膜，成為收縮性很小的堅固的彈性體。熱施工密封膠的主體材料主要是異丁烯類聚合物、三元乙丙橡膠和熱塑性的苯乙烯嵌段共聚物。它們通常同熱塑性樹脂如EVA、EEA、聚乙烯、聚酰胺、聚酯等摻合。

（4）液體密封膠

該類密封膠主要用于機械接合面的密封，用以代替固體密封材料即固體墊圈以防止機械內部流體從接合面泄漏。該類密封膠通常以高分子材料例如橡膠、樹脂等為主體材料，再配以填料及其它組分制成。液體密封膠通常分不干性粘著型、半干性粘彈性、干性附著型和干性可剝型等4類。根據具體使用部位及要求選擇。

1.3 按密封膠施工后性能分類

（1）固化型密封膠

（2）非固化型密封膠

2、按膠粘劑硬化方法分類

低溫硬化代號為a;常溫硬化代號為b;加溫硬化代號為c;適合多種溫度區(qū)域硬化代號為d;與水反應固化代號為e;厭氧固化代號為f;輻射(光、電子束、放射線)固化代號為g;熱熔冷硬化代號為h;壓敏粘接代號為i;混凝或凝聚代號為j，其他代號為k。

3、按膠粘劑被粘物分類

4、膠水狀態(tài)

無溶劑液體代號為1;2有機溶劑液體代號為2;3水基液體代號為3，4膏狀、糊狀代號為4，5粉狀、粒狀、塊狀代號為5;6片狀、膜狀、網狀、帶狀代號為6;7絲狀、條狀、棒狀代號為7。

5、其它膠粘劑: (不常用到)

金屬結構膠、聚合物結構膠、光敏密封結構膠、其它復合型結構膠

膠水（膠粘劑）技術原理の簡介

常用膠粘劑的固化形式

為了便于膠粘劑對被粘物面的浸潤，膠粘劑在粘接之前要制成液態(tài)或使之變成液態(tài)，粘接后，只有變成固態(tài)才具有強度。通過適當方法使膠層由液態(tài)變成固態(tài)的過程稱為膠粘劑的固化。而不同的膠粘劑的固化形式則是不同的，接下來，我們就來了解一下常用膠粘劑的固化形式有哪些？

方法/步驟

1溶液型膠粘劑的固化

2乳液型膠粘劑的固化

3熱熔膠的固化

4增塑糊型膠粘劑的固化

5反應型膠粘劑的固化

01膠粘劑，實現動力電池持久動力的“肌膜組織”

動力電池是電動汽車的心臟，膠粘劑等材料是實現心臟持久動力的“肌膜組織”。電芯成組裝配和Pack組裝是動力電池生產線中的重要環(huán)節(jié)，都會涉及到直接影響動力電池導熱性能、耐老化強度、電氣絕緣性、阻燃性和使用壽命的膠粘劑材料。

動力電池組裝。來源：昌德膠業(yè)

電芯層面，一方面需要隔絕外界溫度變化對電芯的影響，一方面需降低相鄰電芯互相的熱量影響，隔熱材料的隔熱性、耐熱性和阻燃性都是重要改進方向。極耳膠帶需要具有耐高溫，耐熱，耐鋰離子電池電解液，耐溶劑，高電氣絕緣性，粘著力適宜和貼服性以及再剝離不殘膠等特性。

電芯用膠。來源：漢高官網，中信證券

傳統(tǒng)的電池模組熱管理，一般由電池模組、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電氣系統(tǒng)及結構件組成，每個電池模組又包含一組單個電芯。這一設計有助于對電池模組進行控制、監(jiān)測和維修。此外還能為電池提供碰撞和環(huán)境保護，在模組之間和模組周圍形成電氣隔離，在熱失控的情況下有助于防止火勢蔓延。不同性能的膠粘劑分別用來提升動力電池的機械強度、熱管理性能、防外界干擾性能。

電池模組用膠。來源：漢高，中信證券

電池包層面，應用的膠粘劑主要有結構膠（導熱與絕緣）、灌封和密封膠（密封和導熱）、功能性膠（導熱和導電）幾種。結構膠主要用于結構件的固定和上下殼體與電芯的連接，密封膠主要用于殼體的密封保護，灌封膠主要起到灌封和導熱作用，而功能性膠擁有導電、導熱等性能，是動力電池安全管理重要組成部分。

電池包用膠。來源：漢高官網，中信證券

02 安全事故頻發(fā)，熱管理需求持續(xù)提升。

“熱失控”是電池內部出現放熱連鎖反應引起電池溫升速率急劇變化的過熱現象，發(fā)生時通常伴隨著冒煙、起火、爆炸等危害。在電池組中,若局部區(qū)域電池發(fā)生的熱失控事件失去控制，將擴展到周圍區(qū)域的電池，引起熱失控在系統(tǒng)內擴展而導致不可控的危害，抑制熱失控尤為重要。熱失控發(fā)生的誘因可分為機械濫用（碰撞、擠壓、穿透等）、電濫用（外短路、過充電、過放電等）和熱濫用（局部過熱等）。

電池熱失控反應。來源：巖拓新材料

熱失控擴展典型事故。來源：鋰離子電池熱失控擴展特征及抑制策略研究進展，中信證券研究部

對抗沖擊能力及震動穩(wěn)定性等良好機械安全性的需求提升，是使得電動汽車內導熱、隔熱材料需求提升的原因之一。

03 結構創(chuàng)新和集成度的提升，帶動膠及結構制件價值量提升

傳統(tǒng)電芯-電池模組-電池包集成設計中，模組存在機械連接較方便、無需結構膠等膠粘劑，但橫梁和縱梁占用許多空間，螺栓等附件增加了重量，很大程度上限制了電池包容量和能量密度的提升.

Cell to Pack(CTP)：減少或去除電池“電芯-模組-整包”的三級Pack結構的技術。目前有以比亞迪刀片電池為代表的徹底取消模組的方案和以寧德時代CTP技術為代表的小模組組合成大模組等兩種不同的技術路線方案。CTP中電芯熱失控管理難度加大，對內部結構導熱膠對模組散熱的要求，以及外部隔熱膠隔熱和阻燃的要求更高。

寧德時代CTP3.0技術。來源：寧德時代

Cell to Chassis(CTC)：直接由電芯作為車身的一部分，電池包上蓋與車身地板融合，取消模組設計，進一步提高系統(tǒng)集成效率。CTC方案中，特斯拉車輛重量減少10%，續(xù)航里程增加14%；零跑汽車綜合續(xù)航增加10%。一體化使得CTB技術中結構膠強度要求提升。

特斯拉CTC技術。來源：特斯拉

Cell to Body (CTB)：車身地板集成電池上蓋-電芯-托盤，將電芯集成于電池上蓋成為一個整車三明治結構。車身電池一體化結構需要在殼體中加入緩沖材料。

比亞迪CTB技術。來源：比亞迪

04 電池熱管理需求：導熱、保溫、隔熱三管齊下

相比于傳統(tǒng)汽車，電動汽車由于增加了電池、電機、電控等部件，對于熱管理所用膠粘劑在性能、數量上都帶來了更大的市場空間。相比于傳統(tǒng)電機，電動汽車的電機對于整體尺寸、功率密度要求更高，對膠粘劑的應用性能也提出更高要求。膠粘劑在電機中的作用主要是連接磁體和疊片，連接軸和轉子，以及連接定子和外殼。不僅可以起到振動、腐蝕的保護作用，也可以緩沖定子和外殼不同的熱膨脹系數而可能產生的熱應力。

電機中的主要用膠點。

電控中IGBT灌封的用膠點。

導熱需求：鋰離子電池充放電電流較大，散熱條件較差，會引起電池內部溫度升高。而車輛底盤空間有限，電池模塊必須緊密排列，將導致熱量堆積，且不同位置的電芯溫度往往也不完全一致。離子電池工作溫度在30-40℃時，溫度每升高1℃，電池使用壽命越降低2個月。

鋰電池導熱膠和隔熱膠性能需求。來源：博詹咨詢，中信證券

隔熱需求：導熱不暢情況下，過高的溫度易導致冒煙、起火、爆炸等危險，需要在良好隔熱條件的基礎上保證阻燃效果。而平衡電池效率與熱安全保護，需防止單體熱擴散。為了防止電池單體自燃擴散至整個動力電池包，廠商一般通過控制影響（如隔熱）和保持溫度（如泄壓、散熱）兩方面解決。預防階段，隔熱材料通過減少外部溫差變化對電池的影響，從源頭減少熱失控事故；事故發(fā)生時，隔熱材料可以減緩電芯爆燃散發(fā)熱量對臨近電芯以及整車的影響，為乘客爭取逃生時間，最小化熱失控事故的影響。

目前隔熱材料主要以氣凝膠墊、硅橡膠（陶瓷化）、阻燃泡棉、云母板為主，而有機硅因高耐熱性，高彈性和成本合理或將成為主流。由于不同形狀電芯的膨脹率、比表面積、熱失控難易程度不同，不同公司采用不同防火隔熱材料進行隔熱處理。

各個企業(yè)膠粘劑代表性解決方案。來源：公司公告，中信證券

2020年以來，寧德時代、中創(chuàng)新航、比亞迪等動力鋰電池廠商紛紛應用氣凝膠氈等材料提升電池包的熱防控性能。主機廠也積極參與到電池PACK設計中，在隔熱阻燃材料方面提出新的技術方案，如上汽榮威應用的“防火罩”產品。

動力電池熱管理隔熱材料對比。來源：GGII，中信證券

保溫需求：低溫下，電池的電化學反應速率和反應深度降低，從而導致電池容量下降，動力電池宏觀表現出冬季環(huán)境下電動汽車“虧電”現象。

05 CTP技術下的熱管理

從熱管理的角度來看，基于模組化的電池包通常使用至少兩種熱界面材料(TIM)或“填縫膠”(GF)。在液冷板的幫助下，兩種填縫膠有助于調節(jié)模組的溫度，確保安全高效的性能。

方形電池構成的模組電池包結構橫截面。來源：派克洛德，中信證券

基于新型CTP設計的熱管理方法，可以減少一半的熱界面材料，從原有模組上層電芯至模組(CTM)填縫膠和下層模組至電池包(MTP)的填縫膠變成1層電芯到冷卻板的導熱膠粘劑；并從原有4個接口變?yōu)楝F有2個接口，還去掉了模組外殼。

無模組CTP電池包結構橫截面。來源：派克洛德，中信證券

設計顯著降低了電池堆的熱阻，進而降低冷卻板的冷卻（或加熱）負荷，支持使用導熱率較低的填縫膠。另一方面，由于不再使用模組外殼來防止電池受到環(huán)境影響，需要導熱膠擁有更嚴格的環(huán)境耐受性和機械性能。在CTP電池中，膠粘劑代替原來模組結構的機械連接，對于強度、柔韌性、耐老化、阻燃絕緣和導熱性也有較高的性能要求。通常使用結構膠實現以上性能，為動力電池提供防護效果，并實現實現安全可靠的輕量化設計。結構膠粘劑的四種常見受力方式是拉伸、剪切、劈裂和剝離，因此要求結構膠在應對這些物理作用力時有良好的機械性能。

寧德時代指出，CTP3.0 麒麟電池開創(chuàng)性地取消了橫縱梁、水冷板與隔熱墊原本各自獨立的設計，集成為多功能彈性夾層，提高系統(tǒng)集成效率。通過電芯大面冷卻技術，

電池換熱面積擴大4倍，導熱性能提升50%，麒麟電池支持5分鐘快速熱啟動及10分鐘快充。在相同的化學體系、同等電池包尺寸下，麒麟電池包的電量，相比4680系統(tǒng)提升13%。

CTP3.0 麒麟電池。來源：寧德時代值得一提的是，在極端情況時，麒麟電池電芯可急速降溫有效阻隔電芯間的異常熱量傳導，并有效避免電池非正常工作溫度造成的不可逆損傷，整體提升電芯壽命與安全。此外，CTP3.0 麒麟電池針對全生命周期電化學反應、水冷系統(tǒng)實車需求等進行全面模擬仿真，在多功能彈性夾層內搭建微米橋連接裝置靈活配合電芯呼吸進行自由伸縮，提升電芯全生命周期可靠性。CTP技術迭代過程中，由于膠粘劑的性能同步提升，動力電池施膠總量不斷遞減。但高性能膠粘劑帶來高單價，使得動力電池單車價值量呈遞增趨勢。集成度提高帶來電池上蓋和車身地板間減震保護與絕緣需求，絕緣緩沖墊將成為動力電池膠粘劑最大增量。同時電池安全性對封裝過程中使用的密封膠提出了更高的性能需求，預計也將成為膠粘劑關注重點。以一個CTP磷酸鐵鋰電池包為例，通常需要導熱結構膠2.5kg，無導熱作用的結構膠1kg，密封膠0.7kg左右。

麒麟電池 CTP3.0 結構用膠點。來源：寧德時代，中信證券

07三大應用體系，功能膠需求持續(xù)提升

結構膠：滿足機械性能需求，實現安全可靠的輕量化設計。結構膠是指應用于受力結構件膠接場合，能承受較大動負荷、靜負荷并能長期使用的膠粘劑。在動力電池中，主要用于粘接電芯與電芯、電芯與泡棉、電芯和模組外殼等，使電芯與模組成為一體化，滿足模組的振動、沖擊和跌落等要求。

結構膠評價標準。來源：中信證券

結構膠主要有聚氨酯結構膠、丙烯酸結構膠、硅膠、環(huán)氧結構膠、UV膠和耐高溫熱熔膠等可分別應用于不同場景。

密封膠：為動力電池應對復雜使用環(huán)境提供防護。密封膠又稱密封劑、密封材料，密封膠是以非定型狀態(tài)嵌填接縫，并與接縫表現粘接成一體，實現接縫空封的材料。主要由基料、增塑劑、防腐劑、穩(wěn)定劑、偶聯劑、填料、固化劑等組成。

按主要成分，分為聚硫密封膠、硅酮密封膠、聚氨酯密封膠、丙烯酸酯密封膠、環(huán)氧樹脂膠、氟橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠，其中聚硫密封膠、硅酮密封膠、聚氨酯密封膠為目前性能最好的三大彈性密封膠。按形態(tài)分，可分為膏狀密封膠、液態(tài)彈性密封膠、熱熔密封膠和液體密封膠。

密封膠成分和性能對比。來源：率捷咨詢，中信證券

灌封膠：兼顧密封與導熱，發(fā)泡膠逐步替代。灌封膠灌注于電芯間，有效填充和保護電池，并作為輔助導熱材料及時傳導熱量。

灌封膠材料主要有，環(huán)氧樹脂灌封膠：單組份環(huán)氧樹脂灌封膠、雙組份環(huán)氧樹脂灌封膠；硅橡膠灌封膠：室溫硫化硅橡膠、雙組份加成形硅橡膠灌封膠、雙組份縮合型硅橡膠灌封膠；聚氨酯灌封膠：雙組份聚氨酯灌封膠。

輕量化趨勢下，發(fā)泡膠相較于灌封膠質量更小、抗震和隔熱效果更好，逐步替代灌封膠在動力電池中的應用，灌封膠需求遞減。

三種化學體系的灌封膠性能對比。來源：博詹咨詢，中信證券

導熱膠主要用于完成電芯與電芯之間，以及電芯與液冷管之間的熱傳導，使用形式包括墊片、灌封、填充等。

導熱膠主要由樹脂基體（環(huán)氧樹脂、有機硅和聚氨酯等）和導熱填料（提高導熱性，有氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)以及氮化硅（Si3N4）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鎂（MgO）、氧化鋅（ZnO）等）組成）。

液冷模式下，導熱膠有重要的輔助作用。導熱系數越高的導熱膠對降低電池的溫升和溫差越明顯，電池溫度分布也越均衡。由于動力電池電芯的最佳工作溫度一般為20-40℃之間，導熱膠的熱量傳導可以有效降低電芯溫度和電芯間的溫差，對于維護電池熱管理系統(tǒng)的正常運行具有非常顯著的效用。

膠帶：結構固定與電氣絕緣，關注膠粘劑和基材性能。常用的膠粘劑有丙烯酸酯膠粘劑、橡膠膠粘劑等；基材有BOPP、PI、PET等。

膠粘劑：丙烯酸酯膠粘劑具有良好的抗老化性和耐候性、較高的耐溫性和良好的熱穩(wěn)定性，對極性表面有著良好的粘接性，起始剝離強度較低等；橡膠膠粘劑在高溫下有更高的抗剪切力、良好的初粘力，但抗老化性、抗溶劑性較差。

對于基材，耐溫性能：PI基材＞PET基材＞BOPP基材，基材成本：BOPP基材＞PET基材＞PI基材。

在動力電池中應用的膠帶概覽。來源：tesa官網，中信證券

08關注有機硅、聚氨酯及氣凝膠材料

以聚氨酯和有機硅為主要成分的膠粘劑生產潔凈度高，且有機硅耐高溫性能佳。在能量密度與電池工作溫度提升的趨勢下，有機硅膠性能優(yōu)異，電氣絕緣、生物相容性能好、阻燃、耐腐蝕，耐輻射、耐極端溫度（-70℃-250℃），是絕佳的密封、導熱材料。聚氨酯膠的機械性能和耐低溫性能占優(yōu)。

有機硅膠主要應用于導熱、密封等領域。有機硅橡膠因其優(yōu)異的耐高低溫性能，耐候性和導熱性能被廣泛應用于新能源汽車的動力電池組裝工藝中，其具體的應用領域有PACK密封、結構粘接、結構導熱、電池灌封等。

一體化設計帶動導熱結構膠需求提升，聚氨酯膠優(yōu)勢凸顯。電池廠商在導熱膠需求量大且不斷降本的趨勢下，有時無法選擇高導熱(>3.0W/m.K)的有機硅產品；同時，因電池包不斷減少結構件的設計條件使得導熱膠除了需要導熱功能外，還需具有較高強度(大于10MPa)的粘接固定功能，因此粘接強度、經濟成本具有優(yōu)勢的聚氨酯導熱結構膠成為了眾多電池廠和新能源整車廠的現實選擇。

新能源汽車三電系統(tǒng)輕量化需求帶動聚氨酯膠用量提升。國內低端乘用車聚氨酯用量在15~20kg左右，而高端車型的聚氨酯用量則在25kg~30kg左右。

環(huán)氧樹脂：多種性能產品滿足不同性能需求。環(huán)氧樹脂膠應用于汽車不同部位的粘接；促進輕量化、車身結構設計變革，簡化焊接工藝，降低成本；提高車身剛度、抗撞性能、結構耐久性，噪聲、振動與聲振粗糙度等整車性能。環(huán)氧樹脂也用于電源、變壓器、繼電器、水表等各類電子元器件的灌封。

丙烯酸使用簡便，抗沖擊性好。丙烯酸可以耐受高達200°C的后加工處理和電泳漆，可以實現更高的結構粘接強度。丙烯酸膠粘劑注膠后具有出色的抗沖擊、剪切和剝離強度，即使長期暴露于鹽霧、潮濕、熱循環(huán)等各種化學暴露環(huán)境中，也能保持優(yōu)異的粘接強度和附著力。

氣凝膠：質量輕密度小，是最高效隔熱材料。其隔熱性能優(yōu)異，具有高比表面積、納米級無窮多孔洞、低密度等特殊的微觀結構。根據材質，可分為碳化物、氧化物、金屬、非氧化物、半導體等多種。其中SiO2氣凝膠研發(fā)、應用最早，高溫耐受能力為600~800℃，可耐受住電池包短路造成的高溫能量瞬間沖擊。但其溫度耐受仍存在一定缺陷，氮化物氣凝膠、碳化物氣凝膠正處于研發(fā)階段，未來極有潛力應用到電池隔熱領域中。

氣凝膠與常規(guī)泡棉性能對比。來源：中國汽車工業(yè)協(xié)會，鋰電池之家，中信證券

氣凝膠目前的兩個應用領域包括電池隔熱和工業(yè)保溫。作為新的切入點，電池應用過程中具有高技術難度、高損耗率和殘次品率以及高成本等劣勢。有機硅憑借其優(yōu)良的耐熱性能，合理的成本以及良好的彈性，最有潛力替代氣凝膠成為隔熱材料新方向。氣凝膠位置在于電池間的隔熱層中，被石墨散熱膜覆蓋，可以阻斷熱失控從失控單體向周圍傳播，從而降低電池組的損害以及附帶的破壞作用。

氣凝膠位置。來源：Jiosaerogel，中信證券

傳統(tǒng)汽車領域用膠量在3kg左右，增量主要得益于智能設備導入，電子膠類占比提升，價值量相應提升。

電動汽車三電系統(tǒng)中，導熱膠等功能性膠用量增量明顯，但灌封膠的用量將減少，其他膠種用量基本持平。目前，單個電池包功能性膠在2.2kg左右，灌封膠在1kg左右，密封膠在0.6-0.8kg左右，結構膠在0.7kg左右。

汽車膠粘劑及制件市場空間測算。來源：中信證券

并隨著國產替代，膠類單位價值量將出現下降趨勢。預計全國/全球2025年汽車膠粘劑市場空間將達154/342億元左右，其中電動汽車三電系統(tǒng)等增量對應的空間為88/143億元。