闭孔发泡硅胶在电池包壳体防潮密封中的应用

目前发泡硅胶是电池包壳体密封的一大类材料,但不同泡孔结构的发泡硅胶用于密封时会有不同的结果:开孔结构发泡硅胶不能用于防水密封;混合孔结构可以用于防水密封,但不能满足防潮密封结果;闭孔结构发泡硅胶的防水和防潮密封在理想情况下可以达到理想的效果。因此,制备一种闭孔的发泡硅胶用于电池包壳体密封或其他防水防潮密封,有广泛的应用。

1、背景介绍

电池包是新能源汽车核心能量源,为整车提供驱动电能,为保护电池包内部元器件不受灰尘、雨水等侵蚀,电池包的壳体密封必须达到一定的防尘防水等级。根据标准IEC60529-2013和GB/T4208-2017对电气设备外壳防护等级要求,目前行业内对电池包在防尘和防水方面要求防护等级一般达到IP67或IP68。因此,电池包的防尘、防水密封设计非常重要。

目前电池包的防尘防水等级已经有了严格的界定,但对于防止水气方面还没有相关的标准。由于空气中的湿气容易造成电池包内部金属腐蚀或电路板短路,而进入电池包内部的湿气不易排出,因此阻止空气对流是需要考虑的。由于发泡硅胶自身的泡孔作用,在实际应用中会出现空气对流的现象,现单纯就发泡硅胶在电池包壳体密封的应用做一个简单的介绍。

2、发泡硅胶在壳体密封中的应用

发泡硅胶根据泡孔结构可分为开孔结构、混合孔结构和闭孔结构,发泡硅胶用于电池包壳体密封时都是处于压缩状态,以便达到良好的密封效果。不同泡孔结构在压缩时产生的变化不同,这三种泡孔结构的发泡硅胶单独用于电池包壳体密封时会有以下效果。

2.1开孔结构

对于开孔结构发泡硅胶,由于泡孔间相互连通,即使加大使用的压缩量,也无法将泡孔间形成的通路完全封闭,不能起到防水的作用。因此,为了达到防水的目的,开孔结构的发泡硅胶不能用于壳体密封。

2.2混合孔结构

前面提到,使用混合孔结构的发泡硅胶对电池包壳体密封时,可通过压缩和增加密封条的宽度达到IPX7或IPX8防水等级的作用,但根据部分客户的组装测试反馈,实际应用中会有以下问题:电池包在潮湿环境中工作一段时间后,液冷板下方会有液态水出现。

经检测,原来是外界空气通过泡孔形成的毛细管进入电池包内部,空气中的水气堆积使电池包内部湿度增加,而电池模组与液冷板之间存在>20℃的温差,这两种作用会使电池包内部的水气在液冷板下方凝结为液态水。长此以往,电池包内部液态水聚集,会影响液冷板及下方支撑材料的性能,若液态水进入电池模组内部则容易造成电芯短路,影响电池包的使用。

其实上述现象在防水测试中我们也会遇到。在发泡硅胶的实验室防水测试中,我们将试水膏(waterfindingpaste,美国KolorKut)涂抹在硅胶圈的内部,采用限位垫将发泡硅胶压缩后沉入水底,观察其防水效果。试水膏是一种金黄褐色的膏体,遇水时会变色,并随含水量增加而颜色加深。图1为两个发泡硅胶样品的防水测试,对于图1(b)和图1(c)的防水测试结果及试水膏的变色效果,可以看出,图1(b)防水测试没通过,试水膏变成了玫红色;图1(c)虽然防水测试通过,但空气中的水气进入硅胶圈内部使试水膏变成了茶色。

因此,在电池包壳体密封设计时要注意防止空气对流,避免水气的进入,即防潮,但目前对于壳体防潮密封方面的要求还没有相关标准。

(a)测试前;(b)防水测试没通过;(c)防水测试通过,但湿气进入

2.3闭孔结构

由于闭孔结构的发泡硅胶力学强度高,在压缩用于壳体密封时会有以下情况:①若为了保持泡孔结构不被压破,降低发泡硅胶的压缩量,由于应力松弛的作用,发泡硅胶作用于壳体的反弹力会随时间而减小,容易造成界面漏水;②若为了增加作用于壳体的反弹力,而增加发泡硅胶的压缩量,一方面会增加破孔率,使防水性下降,另一方面反弹力的增加,易造成壳体变形。

在理想情况下,若发泡硅胶孔壁的弹性好、强度高,适当的压缩量下足以支撑外界的压力,而泡孔不被压破,则几乎所有的泡孔被完整的孔壁包围,泡孔间无法形成通路或毛细管,完全可以达到关于防尘、防水和防潮的要求。日本积水在专利WO2007072885A1中也提到了,通过使用电离放射线的物理交联,或使用有机过氧化物或硫化物的化学交联,制造闭孔发泡橡胶片,并将产品的表观密度和压缩永久应变限定在一定的范围内,可以提供优良的防水性能,但对于防潮方面没有介绍。专利CN201810372331.6通过原料的复配和工艺的改进,得到了可用于防潮密封的闭孔橡胶泡棉。因此,制备闭孔的发泡硅胶用于防水和防潮密封是可行的。

通过上述不同泡孔结构效果对比可以看出,闭孔发泡硅胶在电池包壳体防尘防水和防潮密封中最有应用前景。

3、闭孔发泡硅胶防潮密封

3.1防尘、防水和防潮密封的区别

防尘、防水和防潮分别是阻止固体(灰尘)、液体(水)和气体(水气)的进入密封腔体内,以免对内部元器件或材料性能产生不良影响。

固体、液体和气体的在流动性方面区别在于:固体本身没有流动性,固体分子只能在原位置微小振动;液体具有流动性,但液体分子只能振动和平动;气体流动性最好,可进行任意方向流动。

物质这三种状态流动性的区别,决定了防尘、防水、防潮(气)的难度是逐渐增加的。开孔结构的发泡硅胶可以达到防尘的目的,是由灰尘自身重力、空气阻力及曲折的泡孔通路造成的;混合孔结构的发泡硅胶可以达到防水的目的,是因为其中闭孔泡壁的阻隔以及液体只能平行流动;闭孔发泡硅胶可以防止水气,是由于密闭的泡孔形成了多层防气膜,避免气体穿过流通。

3.2闭孔发泡硅胶为什么可以防潮

闭孔发泡硅胶作为壳体密封时可以达到防潮的目的,其整体防潮原理图2所示。闭孔发泡硅胶的防潮作用可分为两部分:界面防潮和泡孔防潮。

首先,发泡硅胶被壳体压缩时产生的反弹力,增大了发泡硅胶与壳体间的摩擦力,使界面充分填充密封,达到界面防潮的目的;其次,闭孔发泡硅胶的泡孔被完整的孔壁包围,且泡孔间也不相连,泡孔之间无法形成通路或毛细管,阻止外界水气的进入,实现泡孔防潮的作用。界面防潮和泡孔防潮同时作用,阻止空气对流,起到了防潮的作用

3.3材料性能设计

现实发泡硅胶产业,由于原料和工艺的问题,闭孔结构的产品或硬度太高,或泡壁弹性差,或阻燃等级不够,为了阻止空气对流,避免外界水气进入电池包内部,实现闭孔发泡硅胶的长期防潮密封,材料生产设计时,其性能必须满足以下要求:

-发泡硅胶的闭孔率>90%;

-发泡硅胶在压缩30%,或更高压缩量时保证泡孔不被压破

-发泡硅胶的弹性好,应力松弛小

-发泡硅胶环境测试性能损失小,寿命>10年

-发泡硅胶阻燃等级为UL94V-0

3.4气密性测试

目前在发泡硅胶的测试项目中,常使用差压法气密性测试来检验其密封性能,这种测试方法的原理是,通过测量密封圈内压缩气体保压一定时间后压力的变化来计算气体的泄漏量,当泄漏量超过一定范围时被认定为漏气。由于测试时保压时间较短,且电池包密封圈在正常使用中一直保持压缩状态,因此加速老化试验前后检验发泡硅胶的气密性且延长保压时间是必要的。

4、结束语

闭孔发泡硅胶用于电池包壳体密封时,可以阻止空气对流,避免水气进入,同时这种材料在其他密封领域也有广泛的应用,但目前闭孔材料的硬度大,且压缩时易将泡孔压破。克服现实发泡硅胶产业的不足,生产一种较软且可压缩性好、可以防止潮气的闭孔结构产品,必定能够拓宽发泡硅胶的应用领域,加速这一产业的发展。