锂电高导热绝缘材料“卡脖子”问题怎么破?

2024-10-22
随着电气电子设备向高功率密度化、小型轻化和高度集成化方向的发展,设备单位体积内所产生的热量急剧增加,热量的不断积累及由此产生的温升会加速绝缘电介质的老化失效,极大地降低电气电子设备运行的可靠性和寿命。对电子器件来说,每超过额定温度2℃,可靠性降低10%。变压器绕组温度每增加6℃,预期寿命缩短一半。因此,散热是制约电气电子设备高功率密度化和高度集成化的瓶颈问题。


高导热绝缘材料的种类

填充型高导热绝缘材料

包括环氧/硅胶基高导热灌封胶、环氧基高导热胶黏剂、高导热硅胶垫片、高导热硅脂等。

【1】环氧树脂:由于具有优异的粘结性、耐腐蚀性和介电性能及优良的工艺性而广泛应用于电气设备绝缘(如大型发电机、电动机、磁悬浮列车电磁铁、干式变压器、GIS盆式绝缘子、硅橡胶绝缘子芯棒等)和微电子设备绝缘封装(如功率集成电路、大功率激光器、高亮度发光二极管、太阳能电池、IGBT和MOSFET等)。

【2】硅橡胶:是以线型聚有机硅氧烷为基料,加入交联剂、催化剂、抑制剂以及其他助剂,在一定条件下发生化学反应形成的网状弹性体。硅橡胶也具有非常优越的电绝缘性能。硅橡胶作为高分子基体最 大的优势就是高温稳定性,其本身的热分解温度能达到300℃。导热硅橡胶赋予了硅橡胶的导热能力,集成了硅橡胶减震、绝缘以及良好的导热能力等,广泛应用于电力电子器件、航天航空、通信、LED照明、电动汽车等领域。填充型导热硅橡胶是在硅橡胶中加入大量高导热填料形成的硅橡胶基微纳米复合绝缘材料,包括导热硅胶垫片、导热硅凝胶。
【3】导热硅脂:又称散热膏,是以有机硅酮为基体,添加导热填料以及各种助剂,经混合研磨加工的脂状物高分子材料,具有低油离度、耐高低温、耐气候老化、耐水等优良特性。导热硅脂是一种具有高导热性能的有机硅复合材料,可在-50~200℃的温度下长时间保持脂膏状,具有其他界面无法替代的作用,可广泛涂覆于发热体与散热器件之间的界面,如CPU、微波器件、温度传感器、电源模块、汽车电子零部件等。ZnO和Al2O3是常用的导热填料。而AlN会吸油,严重不利于分散在硅脂基体中,需要经过表面改性才能提高填充量。

【4】相变材料:是一种具备释放和吸收相变潜热功能的材料,在能量存储与温度控制方面有重要的应用。相变材料控温原理主要是利用相变材料在低温状态下的熔化、升华过程来吸收热量,并在需要升温时释放储存的热量。导热相变材料通常是向相变材料中添加高导热填料来提高其散热能力。

【5】导热填料:目前,用来制备导热绝缘聚合物复合材料的填料主要有碳类(碳纳米管、石墨烯)、无机粒子和金属(银、铜)等填料。无机粒子分别有氮化物,如氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等;氧化物,如氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化铍(BeO);碳化物,应用较多的主要是碳化硅(SiC)。

陶瓷基导热绝缘材料

陶瓷封装具有耐热性好、不易产生裂纹、热冲击后不产生损伤、机械强度高、热膨胀系数小、电绝缘性能高、热导率高、高频特性、化学稳定性高、气密性好等优点,适用于航空航天、军事工程所要求的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品封装。由于陶瓷材料所具有的良好的综合性能,使其广泛用于混合集成电路和多芯片模组。在要求高密封的场合,可选用陶瓷封装。
高导热绝缘材料在高科技领域的应用

在电动汽车领域的应用

电动汽车动力电池模块、驱动电机和电控系统是电动汽车的三大核心部件,其在工作中会产生大量热量,热量不及时散发会降低各部件的性能和寿命,严重的可能会引起线路短路,造成车辆自燃。此外,充电桩的工作性能以及安全运行也与温度密切相关。良好的散热条件是动力电池、驱动电机和充电桩处于合适工作温度的基本保障。采用高导热绝缘材料能够更加有效地降低各部件的温度以及维持各部件的温度一致,从而保证电动汽车的核心部件“三电”与充电桩的安全性能与使用寿命。

在不断增加电池组数量和重量的情况下,如何快速散热一直是困扰电动汽车电池的一个难题。目前,大多数研究是基于相变材料(PCM)配合其他组件来设计电池包热管理系统,电池的温度可以长期保持在相变温度附近范围内,而且基于相变材料的设计具有较为强大的散热能力以及紧凑的结构。

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相变材料在电池组中应用模式

现在对电动汽车热管理系统的设计仍处于研究阶段,虽然已经有成熟的冷却系统投入使用,但也存在着体积大、成本高以及水冷导致的安全隐患问题,对主动冷却系统的改进仍是主要攻克的问题。热传导聚合物复合材料为电池组热系统设计开辟了一扇新的窗口,结合设计的导热系统,可有效促进电池组的导热散热,提高安全性能。

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高导热材料在电池组中应用示意图



来源:材料圈


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