隨著供應商們不斷努力來滿足行業對電動汽車電池殼日益嚴格的要求，復合材料技術在電池殼上的應用也越來越多。

汽車行業正快速朝著電氣化的方向發展，OEMs及電池模塊的制造商們對采用復合材料來制造電池殼（包括用于支撐和保護車架和電池單元本身的電池盒蓋及電池托盤）的興趣也越來越濃。使用復合材料的原因有很多，最主要的原因是，能夠減輕質量并減小疊加公差。據說，一個空的金屬電池殼能使汽車質量增加110～160kg，是目前裝上電池包之前電池電動汽車上最重的部件。

另一個原因是，電池殼由多個部件組成，每一個部件都附著在前一個部件之上，使得整個組成件占用的空間會疊加，也就是說，它會越來越高、越來越厚。由于電池中不同的組成部分是由不同的供應商設計和制造的，稍有不慎，這種疊加的空間就會超過總的可容納空間，使得電池包這樣的復雜系統在裝配線上占用的空間可能超過汽車工程師預設的空間。如果用金屬來成型形狀復雜的電池殼，則更具挑戰性且成本更高，因為需要制造的組件更多，占用的空間也會更大。相比之下，復合材料則以其設計自由度高及部件整合的優勢，允許將電池殼設計成占用空間更小的有效形狀。

此外，金屬的抗沖擊性能很差，這可能會影響電池托盤（其上安裝有冷卻系統）的耐久性，因為輪胎揚起的道路碎石經常會砸到電池托盤上。如果想要驗證新車的安全性，通過側面和偏移屏障沖擊試驗也面臨著挑戰。而腐蝕也是一個眾所周知的問題。由于具有導熱性，在正常的充電和放電過程中，以及在出現熱失控時，金屬可能從模塊內部傳輸熱量，還會將外部熱量導入電池包內，使得電池包在理想的溫度范圍內運行變得更加困難。現在，由于大部分的電池組件都被包封在客艙下面，因此需要采取緩沖措施，以便在電池包受到嚴重損壞時能防止金屬殼將熱量或火焰導入車內，確保乘員有足夠的時間逃逸或者得到救援人員的幫助。因此，目前的電池殼必須通過越來越嚴格的火焰測試——通常是在高溫、高壓下持續保持很長一段時間。

無論如何，與金屬相比，復合材料的電池殼具有可量化的優勢: 更輕的質量、更高的設計自由度所帶來的更大的空間利用率、更快速的組裝、無腐蝕、更耐用以及特殊配方所帶來的更好的阻燃防火性。與作為基準的金屬設計相比，獲得這些優越性能所需的成本是中性的或者更低。

然而，沒有一種材料不具備挑戰性。雖然具有隔熱優勢，但電氣絕緣性卻要求電池包有自己的緩沖措施，以確保不受附近和車內電子信號源的影響。電池組件不會產生可能影響其他車載電子設備（包括高級駕駛輔助系統ADAS）正常運行的信號。本文將重點介紹不斷進步的模擬技術，以及供應商們在制造電池殼和導電添加劑方面所付出的努力。

工程見解

正如結構復合材料應用中經常出現的情況一樣，特別是涉及不連續纖維增強材料時，采用正確的虛擬原型工具和材料卡來對不同的電池殼設計所采用的材料和工藝選項進行快速準確的評估是至關重要的，這有助于快速取消不可能成功的設計和材料，減少反復試錯（成型和實際測試）所需的時間和成本，從而快速將產品推向市場。

為提高模擬精度，許多制造電池殼的供應商已專注于為自己配制的復合材料開發材料卡，至少有一家公司正在開發其自己的模擬工具并使其能與其他主要軟件包銜接。那么，伴隨著復合材料電池殼市場的不斷發展，軟件供應商們又有何見解呢？

“伴隨著汽車輕量化、電氣化的發展趨勢，我們已經看到，對我們的復合材料建模軟件的使用量在增加。”Hexagon公司制造信息部門高級應用工程師Dustin Souza解釋道。位于瑞典斯德哥爾摩的Hexagon公司提供建模軟件和工程服務，以幫助工程師們采用聚合物和復合材料設計出更輕質的結構。“越來越多的公司希望得到我們的幫助，為他們設計和制造電池盒蓋和電池托盤提供更好的建模。”Souza表示，Hexagon公司可以分析各種材料，從短纖維注射料到片狀模塑料（SMC）再到連續纖維增強復合材料。

“我預計，未來注射成型的復合材料可能是用于這項應用的最成功的材料類型，而不是今天使用的SMC或連續纖維增強復合材料。”Souza說道，“這是因為，注射成型行業有著悠久的歷史和豐富的經驗，這類材料的可回收性與可持續的發展目標相一致。而且，注射成型工藝能實現更快速的生產，而要提高電動汽車的產量，速度至關重要。”他補充道，根據車輛類別及性能要求，可能會在玻璃纖維或碳纖維增強材料之間進行選擇。

買電動汽車后悔死了，Hexagon公司的分析師們圍繞“工藝選擇給復合材料部件的最終性能所帶來的影響”而開展了許多研究，特別是針對那些采用不連續纖維增強材料的情況。比如，選擇采用一整塊大的SMC坯料（上左）與選擇采用兩個彼此相鄰鋪放的較小的SMC坯料（上右）相比，后者會在兩個坯料的接觸處形成熔接線（下圖），從而影響最終部件的強度（圖片來自Hexagon公司）

“對整個疊層的可再現性進行快速模擬，我們可以最大程度地減少每一層的整體變形以反映在成形過程中允許的滑動，然后即時計算出各層的變形和偏差、層間界面的滑動以及對應的坯料形狀。”Guerin接著說，“這對于評估材料質量以及準備詳細的仿真模型是一個很好的起點。”

供應商層面的挑戰

在制造電動汽車電池殼方面，汽車供應商們面臨著形勢不斷變化帶來的挑戰，包括電池包能量密度甚至可能是電池化學原料的瞬息萬變、更嚴格的電池安全要求以及快速增加的電動汽車項目，此外還包括供應端帶來的挑戰。

1. 帝人汽車技術公司

帝人汽車技術公司的技術人員正在從模具中取出一個大型的SMC電池托盤（圖片來自帝人汽車技術公司）

憑借10多年來為電動汽車電池模塊設計和成型外殼的經歷，帝人汽車技術公司為開發滿足OEM性能要求和成本目標的解決方案而提供豐富的材料和工藝選項（圖片來自帝人汽車技術公司）

而加上人工更換費用等等，兩類電池的更換最終的費用大概在850到1100元/kwh。例：比亞迪秦EV（標準版）更換電池需要6+萬參數：續航能力401-500；最大功率100kw；電池容量（kWh）53.1。按照每度電池市場價格1100元/kwh計算，。

Siwajek補充說，由于電池盒蓋和電池托盤的要求不同，采用混合材料的方法是一條可行的發展途徑，比如，帝人汽車技術公司的外殼設計通常使用不連續的玻璃纖維增強材料，但在需要更多的結構材料之處，該團隊可以輕松地將單向（UD）或多向連續纖維增強材料與傳統的、隨機取向的短切粗紗結合在一起使用。此外，在SMC、RTM和LCM工藝中最常用的化學原料如不飽和聚酯（UP）、乙烯基酯（VE）、酚醛樹脂和環氧樹脂等是相似的，足以使用一套完整的復合材料設計而不會有太大的困難，盡管該公司也能實現與金屬元件的共成型或者將復合材料和金屬組合到一個組件中。

除力學性能外，其他指標也很重要。“早期，大約在10年前，人們對電池環境的溫度管理非常重視，而電池制造商們似乎已經通過電解質化學原料解決了這一問題。”Siwajek繼續說道，“幸運的是，即使在極端溫度下，SMC也是一種堅固的材料，而滿足防火和煙霧排放要求正是我們配方的關鍵所在。為滿足熱失控方面的要求，我們會加入添加劑與填料的獨特化學包，我們還通過部件設計解決了部件在熱失控中的耐久性問題。”

他補充道，一直以來，提高抗靜電耗散（ESD）性、抗電磁干擾（EMI）性、抗無線電頻率干擾（RFI）性甚至是抗5G信號干擾性，并不為大多數客戶所關注，只是少數一些客戶關注的焦點。“我們有辦法減輕屏蔽要求，但會根據需要來提供這些性能，畢竟，它們會對成本帶來不利影響。”他解釋道。

該公司面臨的挑戰是什么呢？“雖然傳統上復合材料沒有可用的材料卡（在模擬軟件中使用），但我們已經齊心協力，為我們高產量的材料以及那些我們認為對電動汽車市場至關重要的材料而創建了材料卡。”Siwajek表示，“事實證明，這一舉措對我們的設計團隊和客戶都有很大的幫助。”

2. 麥格納國際公司

位于加拿大安大略省奧羅拉的麥格納國際公司自2011年以來就通過其Cosma部門一直在生產金屬材料的電池托盤。最近，該公司的外飾業務部門獲得了其第一個復合材料電池殼訂單，將從2024年開始投入生產。除了在位于28個國家的工廠中制造汽車和商用車的零部件外，該公司還為客戶提供設計、工程開發、CAE分析和原型制造等方面的支持。

“為了使我們的模擬更加準確，我們一直在研究如何提升自己的模擬能力以便更好地預測材料的流動性和結構性能。另外，我們還自己表征材料并建立了自己的材料卡，以用于CAE數據包中。”麥格納外飾部門全球創新總監Brian Krull解釋道，“這種能力的提升將幫助我們設計和開發出適合未來發展需求的更高效、更輕質的解決方案。這一進步，將進一步增強在結構應用中使用復合材料的信心。”

但隨著電池能量密度的不斷增加，他表示，麥格納正在滿足行業對復合材料提出的更多要求，以適應不斷變化的全球標準，包括極高的防火耐熱性，以及在長達5min的時間內承受熱失控所需的抗內壓性。該團隊甚至發現，在一些金屬外殼的結構中，復合材料可被用作熱屏障，這又為更高性能的樹脂如酚醛樹脂帶來了機會。取決于電池殼組件的尺寸和復雜性，甚至可以為注射成型或注射/模壓成型的熱塑性塑料帶來機會。

隨著電動汽車項目的迅猛發展，行業面臨著怎樣的挑戰呢？“這些大型部件需要采用擁有大型模板的大噸位壓機來成型，所以制造能力是我們一直在密切關注的問題，盡管麥格納已經準備好并且愿意根據OEM的需求，為正確的項目和地區配置資源。”Krull補充道，“使用熱固性材料的另一個潛在問題是，在產品使用壽命結束后，對部件進行回收或再利用的能力。為了滿足未來的可持續發展要求，材料供應商們必須配制可持續并可循環再利用的材料，這些材料不僅要滿足電池殼的力學性能和熱性能要求，還要滿足汽車制造商的價格目標。”

不過目前主流新能源汽車續航里程在300公里左右，所以電池價格基本在6-8萬，這個費用還是比較貴的。不過電池廠商和國家都在努力，希望未來能夠進一步降低電池成本，屆時更換電池也就不用那么貴了。

3. STS 集團

位于德國哈根的STS 集團成立于2013年，是為汽車和商用車提供復合材料部件和系統的全球供應商，致力于減排和采用替代的動力系統。自2019年以來，該公司已為中國的多個項目提供了SMC的電池盒蓋，即將投產的項目預計2023年在西歐啟動。基于對北美市場需求不斷增長的預期，該公司于2022年夏季在弗吉尼亞州破土動工了一座新的SMC成型工廠。作為縱向一體化的公司，STS不僅模壓成型SMC部件，還配混自己的材料并提供設計和工程支持。其姐妹公司生產用于高性能汽車的層壓復合材料部件。

“力學性能和防火性能要求以及提高加工速度，使得在將SMC用于電池盒蓋時面臨著巨大的挑戰，而我們目前的配方是基于短切玻璃纖維與聚酯或乙烯基酯樹脂。”STS北美銷售和業務開發總監David Ponce de Leon說道，“通過使用高性能的SMC或碳纖維預浸料，我們很好地滿足了電池托盤對更高力學性能的要求。隨著電池能量密度的不斷增加，預計OEMs在不久的將來將需要更高的性能，因此，我們用了3年時間來驗證采用連續玻璃纖維或碳纖維粗紗或者采用織物增強的酚醛樹脂和環氧樹脂在長時間暴露于高溫中之后所能提供的殘余力學性能。同時，我們還研究了 EMC（電磁兼容性）和膨脹配方。”

1.在看到報價的時候，唐的電池價格是5萬多元，唐的18.5度電池價格是1700 * 18.5 = 31405元，那么為什么3萬的電池報價是5萬還是6萬呢？2.小伙伴們基本都知道，汽車零部件有一個所謂的零整比，大部分是300%。為什么會。

Ponce de Leon 補充道，很少有汽車制造商只是依靠材料的UL 94 V-0性能，相反，OEMs和一些電池模塊供應商往往要求進行特定的火焰暴露測試，如暴露于850℃ 的火焰中持續長達5min，以及反復多次暴露于1250℃ 的溫度中長達1min。為了在這種情況下測試自己的SMC配方的有效性，STS開發了自己的內部測試方法，其過程涉及反復交替地暴露于1400℃ 的火焰與噴砂之中。該測試在經過修改后，還能滿足OEM或電池模塊制造商的具體要求。他補充說，STS的SMC配方設計采用的原材料通常不產生溴化物或氯化物，而且考慮了工業化生產的需要。采用目前的SMC配方，流動性是改善防火性能的主要限制因素。

4. TPI Composites公司

位于美國亞利桑那州Scottsdale的TPI Composites公司是另一家正在為一輛未公開的車輛以及目前正在多個地區擴大主體項目的OEM制造復合材料電池殼部件的供應商。該公司以其在復合材料風機葉片方面的研究而著名，同時還制造用于客車、商用車、輕軌和公共汽車的各種復合材料部件，并在高性能帆船和動力船市場上有所建樹。

TPI Composites公司對電動汽車電池殼的防火系統進行了廣泛的研究，包括在多種樹脂系統和防火層上進行錐形量熱測試，以及子元件測試、直接火焰燒穿測試等。每一項測試的目標都是為了最大程度地減重降本以及保證可制造性（圖片來自TPI Composites公司）

“今天，真正能夠驅動OEMs的事情是，找到一種能夠創造最安全的電池系統的方法，該電池系統同時還要成本低且質量輕。隨著產量的攀升，這變得更具挑戰性。”TPI Composites公司運輸業務部高級主任Todd Altman解釋道，“電池包是非常復雜的系統，而電池殼具有多重作用：保護車內乘客免受內部火災的傷害，保護模塊免受外部火災的影響，在發生嚴重撞擊時保護電池免受損壞，確保電池處在最佳環境溫度中并為長期運行提供足夠的剛性。”

“復合材料的標志性優點之一是，通過對樹脂、增強材料和工藝進行調整，可以非常靈活地調整解決方案來滿足非常具體的性能要求。”Altman說道，“我們投入了大量的時間和精力開發了一種巧妙的技術套餐，可以解決防火和EMC/EMI屏蔽等問題。我們的系統已經通過了4家主流電動汽車制造商的熱測試，而且獲得了非常積極的反饋。”他補充說，TPI Composites公司還參與了用在4～8級電動貨車上的電池殼的高級開發項目，這些電動汽車預計于2023～2024年推出。

很小，但很強大

添加劑是開展配方研制以改變復合材料性能的重要組成部分。納米粒子添加劑，特別是石墨烯納米片（GNP），已開始在電池殼中發揮作用。這些添加劑通常有助于熱絕緣和電絕緣的材料更好地散熱，以及使電池模塊能夠屏蔽來自各種外部動力傳動系統和其他車載的及附近的電子設備（包括ADAS雷達和激光雷達）的雜散信號。

1. Advanced Material Development公司

Advanced Materials Development公司的石墨烯納米片基產品可被用于提高復合材料殼體的EMI屏蔽性能，以取消對鋁屏蔽（左）的需要；作為一個印刷應變傳感器，可以實時監測結構的扭矩（中）；作為印刷天線，可以傳輸傳感器數據（圖片來自Advanced Materials Development公司）

涂層還可以通過結構化而用作超表面，并允許一個窗口撥號，這樣就可以傳送一小部分的頻譜，同時減弱其他頻譜。通過這個窗口，系統能彼此“對話”，而所有無關的背景輻射都被屏蔽掉。該公司還表示，其涂層可為匹配基材而專門訂制，能夠在廣泛的溫度范圍和充滿挑戰的環境中保持牢固結合。

AMD 還在探索其他的電池應用，包括能夠將結構健康監測（SHM）嵌入到外殼本身中。“在需要的地方，我們可以在電池殼上印刷應變傳感器，以傳輸體現電池狀態的傳感器數據。”Mumford繼續說道，“此外，我們能夠印刷超靈敏的應變傳感器，以實時監測應變或扭矩。作為納米級的傳感器，AMD的石墨烯基材料比目前許多安裝在表面的應變傳感單元更加靈敏、準確和堅固。”

2. NanoXplore公司

另一家參與“將石墨烯用于電池殼”認定工作的公司是位于加拿大魁北克的NanoXplore，該公司聲稱擁有世界上最大的石墨烯納米片生產設施，每年能夠生產4000t的石墨烯粉末用于交通運輸和工業領域。除了為石墨烯納米片開發新的應用以及生產標準和訂制的石墨烯增強塑料及復合材料配方外，NanoXplore 還擁有多個加工廠，為汽車、醫療、機電和鐘表制造市場生產塑料和復合材料的精密部件。

最近，該公司宣布與美國Molding Products公司簽訂了長期供貨協議，后者將配混石墨烯增強的SMC并以GrapheneBlack SMC為名進行銷售。與具有相同比重的傳統SMC相比，據說GrapheneBlack SMC能以中性成本實現多達15%的減重效果。其他優勢包括：提升了強度（拉伸、壓縮和扭轉強度提高了26%）和剛度（提供更好的抗振動載荷能力）。該材料還改善了聲阻性、紫外穩定性、耐化學性、表面光潔度及涂裝性，減少了應力開裂，提高了加工性，有助于阻燃和導熱。

按照2019行情，電動汽車的電瓶一般7萬元左右，更換電動車電池價格更高。一款續航里程在300公里以上的電動車，僅電池的重量就要超過500公斤，而更換電池的費用要近10萬元。新能源車的電池費用，約占整車費用的一半至三分之三，。

在SMC中添加少量石墨烯納米片，可以使許多性能得到明顯提高（圖片來自NanoXplore公司）

編譯自CompositesWorld

審核人：龔淑娟

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