使用 SpreaderShield™ 柔性石墨将消费电子产品的热管理方法应用到运输电池中

导言

从 2000 年代中期到 2010 年代末，消费电子行业经历了一场热管理革命。大约在 2006 年之前，手机、笔记本电脑、有线机顶盒和大屏幕电视机都是又厚又笨重的设备，主要依靠铝和铜等热管理金属来分散发热元件的热量。

随着 2007 年智能手机的问世，消费者开始接触到可以执行复杂任务的设备，而没有了前几代手机的重量和体积。几年内，这些设计功能成为所有高端消费电子产品的基本要素。

NeoGraf Solutions 的 SpreaderShield™ 柔性石墨散热器是实现这些轻薄外形尺寸的主要驱动力之一。这种新材料于 2002 年引入消费电子行业，设计人员利用这种材料可以省去厚重的金属底盘和散热器。

如今，轻薄型电脑、平板电脑、手机和电视已成为标准而非例外。全球制造商已将柔性石墨标准化用于大多数热管理应用。

热管理的重要性

在电池驱动的电动车辆中，无论是电动飞机、无人机、eVTOL、海运还是汽车，车辆的整体性能通常由电池本身决定，这并不奇怪。充电率、每次充电的续航里程、安全性和电池循环寿命等变量都是电池组热管理设计的功能。

为了发挥最佳性能，电池单元需要始终保持理想温度。经过深思熟虑并付诸实施的散热策略可使电池组快速充电、延长每次充电的续航时间、防止电池扩散，并使电池组的电池寿命长达数年。除电池本身外，热管理材料往往是影响电池组整体重量的最大因素。选择正确的材料很快就成为电池组设计中的一个重要因素。

日益增长的安全需求

说到电动汽车的安全性，最重要的是控制电池组中存储的大量能量。为此，电池设计和电池管理系统（BMS）取得了重大进展。然而，即使取得了这些进步，单个电池发生故障的可能性始终存在。在最坏的情况下，单个电池失效会导致其附近的电池因过热而失效。如果出现这种情况，电池组中的所有电池都可能在一连串的热事件中发生故障。

目前已开始制定相关法规，以控制或防止这些热失控事件的发生。遗憾的是，控制热传播的最常用方法是增加热管理材料的用量。这只会增加拟议中的 “更安全 “电池组的重量和厚度。

热管理材料的演变

在许多早期的电池驱动电动汽车中，电池组的温度由铝控制。铝是一种久经考验的热管理材料，价格相对便宜，而且可以承担电池组的部分结构任务。

遗憾的是，铝的导热性相对较差，而且密度很高。即使是基本的热管理，也需要厚厚的金属板。电池组设计人员很快就发现，使用铝会导致电池组设计过厚过重，令人无法接受（图 1）。

电池组设计师认识到铝的缺点，并开始寻找其他热管理材料。在电子行业的启发下，柔性石墨从 2010 年代初开始大量应用于船用电池。这种应用迅速遍及整个行业。

为什么选择石墨？

要传播与铝板相同的热量，SpreaderShield 柔性石墨的厚度仅为铝板的一半，重量仅为铝板的三分之一。这使得电池组的尺寸和重量大大减小，而提供的能量却与铝板相同。

影响每次充电续航里程、加速度和制动的主要因素之一是车辆的整体重量。从铝电池组改用石墨电池组可以轻松减轻一百多磅的重量。

许多电池在充电和老化过程中会膨胀和收缩。铝板在膨胀过程中很难与电池保持热接触，而柔性石墨无论电池如何膨胀或收缩，都能轻松保持热接触。

石墨变得更加重要

为了克服使用铝板冷却电池驱动汽车中的电池所带来的问题，电池组设计师们开始使用柔性石墨。如今，SpreaderShield 柔性石墨已在电动汽车（EV）、雪地车、水上摩托艇、船舶和电动飞机中得到商业应用。随着安全、性能和快速充电要求的不断提高，对轻薄石墨的需求只会继续增长。