方形电池封装的高分子材料选择——大“方”至简，极致“塑”封

众所周知，在动力电池领域，有方形、圆柱形和软包三种类型的电芯格式。而方形是锂电行业最主要的电芯格式。同圆柱形和软包电芯相比，方形在国内生产应用较早，具有内阻小、成组能力强、空间利用率高、电芯自身刚性高和可定制化程度高等优势，成为动力电池的最大格式类型（图1）。据中国化学与物理电源行业协会统计数据，2019年中国动力锂离子电池装机量为62.2 GWh，其中方形电池的占比高达84%。

而在锂离子电池的封装上，高分子材料因其质轻、优良的绝缘性能、永不生锈等特征成为方形模组选材重要的部分。从方形模组的设计要求来看，模组绝缘板、模组支架、汇流排等是高分子材料的主要应用领域。

图1 | 方形电芯（蓝色）及其成组示意图

（黑色为塑料部件）

从材料的性能来看，以下几个指标对方形电芯成组的可靠性至关重要。

阻燃性能

越来越多的案例使得阻燃成为最基本的安全标准，并被写入行业规范。在设计肉厚上达到UL94 V-0阻燃等级也成为行业通用标杆，不少企业同时将“不使用含氯/溴阻燃剂”纳入环保规范。

绝缘性能

另一个与安全直接相关的材料指标，它要求零部件在全生命周期内肩负起绝缘的责任，避免“短路”等风险。

长期使用温度

（Relative Temperature Index，RTI）

基于车用锂离子电池的安全测试规范（冷热循环、湿热老化等）要求，一般要求高分子材料的RTI不低于80˚C。一般来说，电芯一般的工作温度上限为55-65˚C，从长期可靠性上讲，高分子材料的RTI应该适当高于此数值。

冲击强度

方形电芯由于自身具备一定的结构刚性，故而对于封装材料的刚性要求并不显著，但冲击性能不可妥协，电池包的震动测试、跌落测试中需要高分子材料零部件具备足够的能量吸收能力而不至于断裂失效。

©Sonnenwagen Aachen eV

上图为亚琛工业大学与亚琛应用技术大学学生自主研发的“太阳能战车（Sonnenwagen）”，科思创为该赛车提供了高品质创新材料。

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基于此，一些常见的工程塑料如聚酰胺（PA）、改性聚苯醚（m-PPE）、聚碳酸酯及其合金（PC， PC/ABS）等成为设计师面临的选择。表1对这三种材料进行了关键性能的对比。

在此需要注意的是，我们不建议在锂电模组封装上选择通用塑料如聚乙烯（PE），聚丙烯（ PP），聚氯乙烯（PVC）等，他们在强度、耐温等级或阻燃性能上的不足为“长期安全可靠”留下了隐患。

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科思创高性能阻燃PC/ABS合金（Bayblend® FR3010）以其卓越的阻燃性能、稳定可靠的绝缘性能和极其优异的抗冲击性能等优势，成为方形模组封装的代表性材料。

随着行业发展的深入，越来越多的整车厂或者电池包供应商对产品质量提出了更高的要求，同时也开始着手建立动力锂电池上游原材料的质量认证规范。对于高分子材料而言，阻燃等级、绝缘性能、长期使用温度RTI和冲击性能是必备的关键性指标，除此之外，材料工程师们更期望材料具备良好的尺寸稳定性、平整度等。

未来，高品质封装将给设计师带来灵感，给消费者带来安心！

本文作者：汤林奇

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