电池壳的材料供应商，他们为什么总是走在前面？

前言

随着供应商们不断努力来满足行业对电动汽车电池壳日益严格的要求，复合材料技术在电池壳上的应用也越来越多。

汽车行业正快速朝着电气化的方向发展，OEMs及电池模块的制造商们对采用复合材料来制造电池壳（包括用于支撑和保护车架和电池单元本身的电池盒盖及电池托盘）的兴趣也越来越浓。使用复合材料的原因有很多，最主要的原因是，能够减轻质量并减小叠加公差。据说，一个空的金属电池壳能使汽车质量增加110～160kg，是目前装上电池包之前电池电动汽车上最重的部件。

另一个原因是，电池壳由多个部件组成，每一个部件都附着在前一个部件之上，使得整个组成件占用的空间会叠加，也就是说，它会越来越高、越来越厚。由于电池中不同的组成部分是由不同的供应商设计和制造的，稍有不慎，这种叠加的空间就会超过总的可容纳空间，使得电池包这样的复杂系统在装配线上占用的空间可能超过汽车工程师预设的空间。如果用金属来成型形状复杂的电池壳，则更具挑战性且成本更高，因为需要制造的组件更多，占用的空间也会更大。相比之下，复合材料则以其设计自由度高及部件整合的优势，允许将电池壳设计成占用空间更小的有效形状。

此外，金属的抗冲击性能很差，这可能会影响电池托盘（其上安装有冷却系统）的耐久性，因为轮胎扬起的道路碎石经常会砸到电池托盘上。如果想要验证新车的安全性，通过侧面和偏移屏障冲击试验也面临着挑战。而腐蚀也是一个众所周知的问题。由于具有导热性，在正常的充电和放电过程中，以及在出现热失控时，金属可能从模块内部传输热量，还会将外部热量导入电池包内，使得电池包在理想的温度范围内运行变得更加困难。现在，由于大部分的电池组件都被包封在客舱下面，因此需要采取缓冲措施，以便在电池包受到严重损坏时能防止金属壳将热量或火焰导入车内，确保乘员有足够的时间逃逸或者得到救援人员的帮助。因此，目前的电池壳必须通过越来越严格的火焰测试——通常是在高温、高压下持续保持很长一段时间。

无论如何，与金属相比，复合材料的电池壳具有可量化的优势: 更轻的质量、更高的设计自由度所带来的更大的空间利用率、更快速的组装、无腐蚀、更耐用以及特殊配方所带来的更好的阻燃防火性。与作为基准的金属设计相比，获得这些优越性能所需的成本是中性的或者更低。

然而，没有一种材料不具备挑战性。虽然具有隔热优势，但电气绝缘性却要求电池包有自己的缓冲措施，以确保不受附近和车内电子信号源的影响。电池组件不会产生可能影响其他车载电子设备（包括高级驾驶辅助系统ADAS）正常运行的信号。本文将重点介绍不断进步的模拟技术，以及供应商们在制造电池壳和导电添加剂方面所付出的努力。

工程见解

正如结构复合材料应用中经常出现的情况一样, 特别是涉及不连续纤维增强材料时，采用正确的虚拟原型工具和材料卡来对不同的电池壳设计所采用的材料和工艺选项进行快速准确的评估是至关重要的，这有助于快速取消不可能成功的设计和材料，减少反复试错（成型和实际测试）所需的时间和成本，从而快速将产品推向市场。

为提高模拟精度，许多制造电池壳的供应商已专注于为自己配制的复合材料开发材料卡，至少有一家公司正在开发其自己的模拟工具并使其能与其他主要软件包衔接。那么，伴随着复合材料电池壳市场的不断发展，软件供应商们又有何见解呢？

“伴随着汽车轻量化、电气化的发展趋势，我们已经看到，对我们的复合材料建模软件的使用量在增加。”Hexagon公司制造信息部门高级应用工程师Dustin Souza解释道。位于瑞典斯德哥尔摩的Hexagon公司提供建模软件和工程服务，以帮助工程师们采用聚合物和复合材料设计出更轻质的结构。“越来越多的公司希望得到我们的帮助，为他们设计和制造电池盒盖和电池托盘提供更好的建模。”Souza表示，Hexagon公司可以分析各种材料，从短纤维注射料到片状模塑料（SMC）再到连续纤维增强复合材料。

“我预计，未来注射成型的复合材料可能是用于这项应用的最成功的材料类型，而不是今天使用的SMC或连续纤维增强复合材料。”Souza说道，“这是因为，注射成型行业有着悠久的历史和丰富的经验，这类材料的可回收性与可持续的发展目标相一致。而且，注射成型工艺能实现更快速的生产，而要提高电动汽车的产量，速度至关重要。”他补充道，根据车辆类别及性能要求，可能会在玻璃纤维或碳纤维增强材料之间进行选择。

Hexagon公司的分析师们围绕“工艺选择给复合材料部件的最终性能所带来的影响”而开展了许多研究，特别是针对那些采用不连续纤维增强材料的情况。比如，选择采用一整块大的SMC坯料（上左）与选择采用两个彼此相邻铺放的较小的SMC坯料（上右）相比，后者会在两个坯料的接触处形成熔接线（下图），从而影响最终部件的强度（图片来自Hexagon公司）

法国达索系统公司开发用于分子和产品设计、结构和制造模拟的软件，以及其他的3D相关产品。随着对层压复合材料结构的高度关注，该公司最近更新了其3DExperience平台（R2022x版本）的功能，有助于分析人员在电池壳的设计中使用这些材料。

为了展示最新版本3DExperience平台的功能，达索系统公司对一种有着40层材料共5mm厚的普通层压电池盒盖进行了可行性研究（图片来自达索系统公司）

“对整个叠层的可再现性进行快速模拟，我们可以最大程度地减少每一层的整体变形以反映在成形过程中允许的滑动，然后即时计算出各层的变形和偏差、层间界面的滑动以及对应的坯料形状。”Guerin接着说，“这对于评估材料质量以及准备详细的仿真模型是一个很好的起点。”

供应商层面的挑战

在制造电动汽车电池壳方面，汽车供应商们面临着形势不断变化带来的挑战，包括电池包能量密度甚至可能是电池化学原料的瞬息万变、更严格的电池安全要求以及快速增加的电动汽车项目，此外还包括供应端带来的挑战。

01 帝人汽车技术公司

位于美国密歇根州奥本山的帝人汽车技术公司配制其自己的SMC材料，并为汽车、货车和工业等细分市场设计和制造各种热固性和热塑性复合材料的模压成型件，包括为北美、欧洲和亚洲的OEM客户及其电气产品合作伙伴成型电动汽车电池盒盖和完整的壳体，在此方面拥有10多年的经验积累。

帝人汽车技术公司的技术人员正在从模具中取出一个大型的SMC电池托盘（图片来自帝人汽车技术公司）

凭借10多年来为电动汽车电池模块设计和成型外壳的经历，帝人汽车技术公司为开发满足OEM性能要求和成本目标的解决方案而提供丰富的材料和工艺选项（图片来自帝人汽车技术公司）

“通常，OEM 客户不指定复合材料的类型，而是要求我们根据他们的具体要求给出建议。”帝人汽车技术公司研发副总裁Mike Siwajek解释说，“我们是模压成型商，虽然我们也成型一些热塑性的复合材料，但主要还是成型热固性的SMC。由于要求严格，我们的电池壳解决方案一直以来都采用SMC，但我们看到了市场对连续增强材料的潜在需求。因此，我们也一直将RTM（树脂传递模塑成型）和LCM（湿法模压成型）看作是核心技术。这两项技术我们都有，但电池壳市场很少要求我们使用这两项技术。最近，我们满足了市场对一些特殊化学品的需求，比如酚醛树脂，但我们仍在与客户合作去理解每一项应用的具体需求，然后提供我们认为最适合这项应用的材料和工艺解决方案。”

Siwajek补充说，由于电池盒盖和电池托盘的要求不同，采用混合材料的方法是一条可行的发展途径，比如，帝人汽车技术公司的外壳设计通常使用不连续的玻璃纤维增强材料，但在需要更多的结构材料之处，该团队可以轻松地将单向（UD）或多向连续纤维增强材料与传统的、随机取向的短切粗纱结合在一起使用。此外，在SMC、RTM和LCM工艺中最常用的化学原料如不饱和聚酯（UP）、乙烯基酯（VE）、酚醛树脂和环氧树脂等是相似的，足以使用一套完整的复合材料设计而不会有太大的困难，尽管该公司也能实现与金属元件的共成型或者将复合材料和金属组合到一个组件中。

除力学性能外，其他指标也很重要。“早期，大约在10年前，人们对电池环境的温度管理非常重视，而电池制造商们似乎已经通过电解质化学原料解决了这一问题。”Siwajek继续说道，“幸运的是，即使在极端温度下，SMC也是一种坚固的材料，而满足防火和烟雾排放要求正是我们配方的关键所在。为满足热失控方面的要求，我们会加入添加剂与填料的独特化学包，我们还通过部件设计解决了部件在热失控中的耐久性问题。”

他补充道，一直以来，提高抗静电耗散（ESD）性、抗电磁干扰（EMI）性、抗无线电频率干扰（RFI）性甚至是抗5G信号干扰性，并不为大多数客户所关注，只是少数一些客户关注的焦点。“我们有办法减轻屏蔽要求，但会根据需要来提供这些性能，毕竟，它们会对成本带来不利影响。”他解释道。

该公司面临的挑战是什么呢？“虽然传统上复合材料没有可用的材料卡（在模拟软件中使用），但我们已经齐心协力，为我们高产量的材料以及那些我们认为对电动汽车市场至关重要的材料而创建了材料卡。”Siwajek表示，“事实证明，这一举措对我们的设计团队和客户都有很大的帮助。”

供应短缺特别是在汽车电气化迅猛发展的情况下出现的供应短缺问题又如何呢？“目前在市场上，产能对于OEMs绝对是一个问题，这一瓶颈最终会影响到供应商，尽管我们总是根据业务情况来考虑和处理产能问题。”Siwajek解释道，“不过，我们更关心的是我们配方中使用的许多原材料的短缺问题。”

02 麦格纳国际公司

位于加拿大安大略省奥罗拉的麦格纳国际公司自2011年以来就通过其Cosma部门一直在生产金属材料的电池托盘。最近，该公司的外饰业务部门获得了其第一个复合材料电池壳订单，将从2024年开始投入生产。除了在位于28个国家的工厂中制造汽车和商用车的零部件外，该公司还为客户提供设计、工程开发、CAE分析和原型制造等方面的支持。

“为了使我们的模拟更加准确，我们一直在研究如何提升自己的模拟能力以便更好地预测材料的流动性和结构性能。另外，我们还自己表征材料并建立了自己的材料卡，以用于CAE数据包中。”麦格纳外饰部门全球创新总监Brian Krull解释道，“这种能力的提升将帮助我们设计和开发出适合未来发展需求的更高效、更轻质的解决方案。这一进步，将进一步增强在结构应用中使用复合材料的信心。”

Krull表示，自2019年以来，麦格纳外饰部门与OEMs合作，一直在开展复合材料电池壳的研制工作，最初的重点是模压成型采用阻燃（FR）UP或VE基体材料的SMC，这项技术在成型性与防火/防热性能之间达到了良好平衡，同时为嵌件的包覆成型、采用连续纤维增强材料进行局部加强以及横梁的共成型等带来了可能。

但随着电池能量密度的不断增加，他表示，麦格纳正在满足行业对复合材料提出的更多要求，以适应不断变化的全球标准，包括极高的防火耐热性，以及在长达5min的时间内承受热失控所需的抗内压性。该团队甚至发现，在一些金属外壳的结构中，复合材料可被用作热屏障，这又为更高性能的树脂如酚醛树脂带来了机会。取决于电池壳组件的尺寸和复杂性，甚至可以为注射成型或注射/模压成型的热塑性塑料带来机会。

麦格纳外饰部门一直在与OEMs、供应商、工程伙伴和实验室合作，采用一种树脂系统开发满足严格的UL 2596箱体热失控测试要求的多种产品，3mm或更小的壁厚能应对火焰和烟雾毒性问题，而不影响成型性或设计自由度（图片来自Forward Engineering North America公司和麦格纳外饰部门）

“我们不断地探索各种复合材料技术，包括连续的和不连续的纤维，以完善功能，最大程度地减重降本并提高性能。”Krull补充道。在与全球供应商和OEM伙伴合作之后，麦格纳开发了正在申请专利的多材料外壳解决方案，其特点是，采用阻燃复合材料制造电池盒盖以及采用铝和复合材料制造混合材料的电池托盘。这些系统轻质，据说在发生热失控时能提供抵御极端温度、压力和火焰的优越性能。“凭借我们的CAE专业知识，我们可以提供整合了不连续和连续纤维增强复合材料的订制解决方案以用于局部加强，同时还能应对高内压发热问题。”他解释道。

让供应商们密切关注的另一个问题是，需要对电缆和电池壳进行静电消散，以确保其他车载电子设备正常工作。Krull补充道，为解决EMI/RFI问题，OEMs采用的方法各不相同，其中一些是在零部件上集成屏蔽功能，而另一些是屏蔽壳体本身。麦格纳为电池盒盖开发了一种正在申请专利的EMI/RFI方案，能在广泛的频率范围内提供屏蔽效能，同时能够非常容易地以低成本方式集成到一个复杂的结构中。

随着电动汽车项目的迅猛发展，行业面临着怎样的挑战呢？“这些大型部件需要采用拥有大型模板的大吨位压机来成型，所以制造能力是我们一直在密切关注的问题，尽管麦格纳已经准备好并且愿意根据OEM的需求，为正确的项目和地区配置资源。”Krull补充道，“使用热固性材料的另一个潜在问题是，在产品使用寿命结束后，对部件进行回收或再利用的能力。为了满足未来的可持续发展要求，材料供应商们必须配制可持续并可循环再利用的材料，这些材料不仅要满足电池壳的力学性能和热性能要求，还要满足汽车制造商的价格目标。”

03 STS 集团

位于德国哈根的STS 集团成立于2013年，是为汽车和商用车提供复合材料部件和系统的全球供应商，致力于减排和采用替代的动力系统。自2019年以来，该公司已为中国的多个项目提供了SMC的电池盒盖，即将投产的项目预计2023年在西欧启动。基于对北美市场需求不断增长的预期，该公司于2022年夏季在弗吉尼亚州破土动工了一座新的SMC成型工厂。作为纵向一体化的公司，STS不仅模压成型SMC部件，还配混自己的材料并提供设计和工程支持。其姐妹公司生产用于高性能汽车的层压复合材料部件。

“力学性能和防火性能要求以及提高加工速度，使得在将SMC用于电池盒盖时面临着巨大的挑战，而我们目前的配方是基于短切玻璃纤维与聚酯或乙烯基酯树脂。”STS北美销售和业务开发总监David Ponce de Leon说道，“通过使用高性能的SMC或碳纤维预浸料，我们很好地满足了电池托盘对更高力学性能的要求。随着电池能量密度的不断增加，预计OEMs在不久的将来将需要更高的性能，因此，我们用了3年时间来验证采用连续玻璃纤维或碳纤维粗纱或者采用织物增强的酚醛树脂和环氧树脂在长时间暴露于高温中之后所能提供的残余力学性能。同时，我们还研究了 EMC（电磁兼容性）和膨胀配方。”

Ponce de Leon 补充道，很少有汽车制造商只是依靠材料的UL 94 V-0性能，相反，OEMs和一些电池模块供应商往往要求进行特定的火焰暴露测试,如暴露于850℃ 的火焰中持续长达5min，以及反复多次暴露于1250℃ 的温度中长达1min。为了在这种情况下测试自己的SMC配方的有效性，STS开发了自己的内部测试方法，其过程涉及反复交替地暴露于1400℃ 的火焰与喷砂之中。该测试在经过修改后，还能满足OEM或电池模块制造商的具体要求。他补充说，STS的SMC配方设计采用的原材料通常不产生溴化物或氯化物，而且考虑了工业化生产的需要。采用目前的SMC配方，流动性是改善防火性能的主要限制因素。

STS集团与材料供应商、OEMs和电池模块制造商合作，为电池盒盖开发满足特定防火要求的材料配方。该公司不仅能够自己完成UL 94测试，还制定了自己的内部程序来评价其自己的SMC配方的防火性能，据说这种方法能满足OEMs和电池模块制造商特定的测试要求（图片来自STS集团）

04 TPI Composites公司

位于美国亚利桑那州Scottsdale的TPI Composites公司是另一家正在为一辆未公开的车辆以及目前正在多个地区扩大主体项目的OEM制造复合材料电池壳部件的供应商。该公司以其在复合材料风机叶片方面的研究而著名，同时还制造用于客车、商用车、轻轨和公共汽车的各种复合材料部件，并在高性能帆船和动力船市场上有所建树。

TPI Composites公司对电动汽车电池壳的防火系统进行了广泛的研究，包括在多种树脂系统和防火层上进行锥形量热测试，以及子元件测试、直接火焰烧穿测试等。每一项测试的目标都是为了最大程度地减重降本以及保证可制造性（图片来自TPI Composites公司）

“今天，真正能够驱动OEMs的事情是，找到一种能够创造最安全的电池系统的方法，该电池系统同时还要成本低且质量轻。随着产量的攀升，这变得更具挑战性。”TPI Composites公司运输业务部高级主任Todd Altman解释道，“电池包是非常复杂的系统，而电池壳具有多重作用：保护车内乘客免受内部火灾的伤害，保护模块免受外部火灾的影响，在发生严重撞击时保护电池免受损坏，确保电池处在最佳环境温度中并为长期运行提供足够的刚性。”

他补充说，复合材料所具有的减重、减少组件以及减小叠加公差的能力，为实现一体化的防火保护提供了卓越方案，减少了潮湿和腐蚀问题,同时还满足了力学性能要求，因此是一大卖点。此外，与传统的金属冲压相比，复合材料能够确保产品被更快地推向市场。Altman预计，未来几年，复合材料在该领域的应用将发生戏剧性的变化。他说，TPI Composites公司用了6年时间来开发和验证各种能够满足质量、成本和其他性能要求的材料和工艺方案，主要是采用酚醛树脂或耐高温的阻燃环氧树脂浸渍的连续纤维（玻璃纤维、碳纤维或混合纤维），以及高压RTM、LCM 和其他工艺技术。

“复合材料的标志性优点之一是，通过对树脂、增强材料和工艺进行调整，可以非常灵活地调整解决方案来满足非常具体的性能要求。”Altman说道，“我们投入了大量的时间和精力开发了一种巧妙的技术套餐，可以解决防火和EMC/EMI屏蔽等问题。我们的系统已经通过了4家主流电动汽车制造商的热测试，而且获得了非常积极的反馈。”他补充说，TPI Composites公司还参与了用在4～8级电动货车上的电池壳的高级开发项目，这些电动汽车预计于2023～2024年推出。

很小，但很强大

添加剂是开展配方研制以改变复合材料性能的重要组成部分。纳米粒子添加剂，特别是石墨烯纳米片（GNP），已开始在电池壳中发挥作用。这些添加剂通常有助于热绝缘和电绝缘的材料更好地散热，以及使电池模块能够屏蔽来自各种外部动力传动系统和其他车载的及附近的电子设备（包括ADAS雷达和激光雷达）的杂散信号。

01 Advanced Material Development公司

位于英国Guildford的Advanced Material Development公司（简称AMD）正积极地将这一领域的技术商业化。该公司资助了英国和美国的大学开展研究工作，并与行业伙伴合作来开发应用，以及为它们的规模化、商业化和最终的授权许可做好准备。AMD的研究是采用一种2D（纳米）材料来提升湿法加工的平台技术，以便能够应用于先进传感器、电子和器件、复合材料和功能性涂料等关键领域。

“我们提供多种形式的纳米碳配方，包括添加剂、适形或可喷涂的涂层，以及可集成到塑料、复合材料、涂层和泡沫中的柔性或可拉伸的薄膜，用以保护敏感元件。”AMD业务开发总监Paul Mumford解释道，“虽然我们的配方也与其他溶剂兼容，但我们的产品主要是水基解决方案。我们能够为复合材料带来的功能是，对非金属的电池包外壳进行EMI屏蔽和温度管理，这基本上取代了它们所替代的铝屏蔽属性。我们与客户合作，利用我们的纳米粒子配方来寻求最有效的和最具成本效益的解决方案。”

Advanced Materials Development公司的石墨烯纳米片基产品可被用于提高复合材料壳体的EMI屏蔽性能，以取消对铝屏蔽（左）的需要；作为一个印刷应变传感器，可以实时监测结构的扭矩（中）；作为印刷天线，可以传输传感器数据（图片来自Advanced Materials Development公司）

涂层还可以通过结构化而用作超表面，并允许一个窗口拨号，这样就可以传送一小部分的频谱，同时减弱其他频谱。通过这个窗口，系统能彼此“对话”，而所有无关的背景辐射都被屏蔽掉。该公司还表示，其涂层可为匹配基材而专门订制，能够在广泛的温度范围和充满挑战的环境中保持牢固结合。

AMD 还在探索其他的电池应用，包括能够将结构健康监测（SHM）嵌入到外壳本身中。“在需要的地方，我们可以在电池壳上印刷应变传感器，以传输体现电池状态的传感器数据。”Mumford继续说道，“此外，我们能够印刷超灵敏的应变传感器，以实时监测应变或扭矩。作为纳米级的传感器，AMD的石墨烯基材料比目前许多安装在表面的应变传感单元更加灵敏、准确和坚固。”

02 NanoXplore公司

另一家参与“将石墨烯用于电池壳”认定工作的公司是位于加拿大魁北克的NanoXplore，该公司声称拥有世界上最大的石墨烯纳米片生产设施，每年能够生产4000t的石墨烯粉末用于交通运输和工业领域。除了为石墨烯纳米片开发新的应用以及生产标准和订制的石墨烯增强塑料及复合材料配方外，NanoXplore 还拥有多个加工厂，为汽车、医疗、机电和钟表制造市场生产塑料和复合材料的精密部件。

最近，该公司宣布与美国Molding Products公司签订了长期供货协议，后者将配混石墨烯增强的SMC并以GrapheneBlack SMC为名进行销售。与具有相同比重的传统SMC相比，据说GrapheneBlack SMC能以中性成本实现多达15%的减重效果。其他优势包括：提升了强度（拉伸、压缩和扭转强度提高了26%）和刚度（提供更好的抗振动载荷能力）。该材料还改善了声阻性、紫外稳定性、耐化学性、表面光洁度及涂装性，减少了应力开裂，提高了加工性，有助于阻燃和导热。

在SMC中添加少量石墨烯纳米片，可以使许多性能得到明显提高（图片来自NanoXplore公司）

“与我们的合作伙伴Molding Products公司一起，我们开发了更强、更轻且表面质量更好的SMC，非常适用于为乘用车和货车制造轻量化的复合材料车身外饰面板以及电池壳部件。我们向OEM 提供这些卓越性能，但不增加成本。”NanoXplore公司的技术项目负责人Tarek Jalloul表示，用该公司的石墨烯纳米片增强的SMC在交通运输领域的第一个应用即将商业化，但没有透露更多的细节。

编译自CompositesWorld作者：PEGGY MALNATI     来源：现代塑料