電動(dòng)汽車“火了”，防火材料市場(chǎng)也要出圈

安全對(duì)汽車行業(yè)至關(guān)重要，除了駕駛安全，車輛本身的安全更不容忽視，特別是防火安全。

今年以來(lái)，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車起火時(shí)有發(fā)生，實(shí)際上每年都差不多。隨著電動(dòng)汽車基數(shù)變大，火災(zāi)事故的絕對(duì)數(shù)量也在增加。

電動(dòng)汽車起火事件中，很多都與電池有關(guān)。作為電動(dòng)汽車的“心臟”，電池組的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)等環(huán)節(jié)都可能存在安全隱患。一旦電池出現(xiàn)問題，就可能殃及其他。

近期的一些起火事故

3月24日，湖南長(zhǎng)沙一輛電動(dòng)汽車行駛途中自燃，現(xiàn)場(chǎng)濃煙彌漫；4月16日，上海嘉閔高架東側(cè)高速一電動(dòng)汽車起火；4月17日，浙江臺(tái)州臨海市杜橋鎮(zhèn)一輛電動(dòng)汽車自燃起火，被燒報(bào)廢；4月17日，上海徐匯區(qū)漕溪北路一車輛起火，車頭燒損。；4月18日，萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)老黃花橋附近一輛電動(dòng)汽車起火，車輛報(bào)廢；4月21日，廣州一輛電動(dòng)汽車行駛途中軋到一塊殘損石板，石板彈起頂?shù)降装澹?秒鐘后濃煙滾滾；4月26日，一輛電動(dòng)汽車在山西運(yùn)城撞上養(yǎng)護(hù)車后起火，不幸三人身亡；4月29日，上海南浦大橋浦東往浦西引橋一輛電動(dòng)汽車起火，車輛燒成空殼；4月30日，上海一輛電動(dòng)汽車在道路上自燃。

值得注意的是，盡管一些電池經(jīng)過針刺、內(nèi)外部短路、擠壓、跌落等各種測(cè)試，幾乎所有的電動(dòng)汽車品牌也都沒能逃過此劫。

數(shù)據(jù)顯示，無(wú)論制造工藝、電芯廠商或電池化學(xué)性質(zhì)如何，鋰離子電池熱失控事件概率始終為非零。不過，純電動(dòng)汽車發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)比ICE汽車小得多。作為一項(xiàng)新技術(shù)，即使電動(dòng)汽車起火發(fā)生率很低，也會(huì)對(duì)車輛乘員和周圍環(huán)境構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。

因此，即使發(fā)生率很低，在發(fā)生熱失控（或其他火災(zāi)原因）的情況下，限制火災(zāi)并盡可能長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)車輛乘客仍很重要。有效的熱管理、質(zhì)量控制和電池管理系統(tǒng)可以將熱失控風(fēng)險(xiǎn)降至最低，但沒有一種方法100%有效。

安全還不能完全指望電池

現(xiàn)階段，指望通過電池技術(shù)本身來(lái)實(shí)現(xiàn)百分之百安全是不可能的，因此必須從以下幾個(gè)方面入手，防患于未然。

一是產(chǎn)品質(zhì)量與監(jiān)管：電動(dòng)汽車起火事件反映了部分電動(dòng)汽車在產(chǎn)品質(zhì)量和安全性方面存在問題。這可能與制造工藝、材料選擇、質(zhì)量控制等有關(guān)，監(jiān)管部門的監(jiān)管力度和標(biāo)準(zhǔn)制定仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

二是充電設(shè)施與充電安全：電動(dòng)汽車充電設(shè)施也是起火事件的原因之一。一些充電設(shè)施可能存在安全隱患，如設(shè)備老化、充電接口松動(dòng)等，都會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車充電過程中起火。

三是車主使用習(xí)慣與安全意識(shí)：一些車主可能存在不當(dāng)使用、過度充電、長(zhǎng)時(shí)間高溫停放等行為，都可能增加電動(dòng)汽車起火風(fēng)險(xiǎn)。

事實(shí)上，中國(guó)是熱失控特定法規(guī)的早期采用者，除了新國(guó)標(biāo)法規(guī)要求的電池?zé)崾Э乇O(jiān)測(cè)外，還增加了電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散試驗(yàn)，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火、不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時(shí)間。

IDTechEx研究總監(jiān)James Edmondson博士指出：“5分鐘的逃生時(shí)間不足以滿足未來(lái)法規(guī)要求，而需要采取更有效的熱失控傳播措施。為此，主機(jī)廠已開始瞄準(zhǔn)更長(zhǎng)逃生時(shí)間，以跟進(jìn)未來(lái)法規(guī)并提高整體安全性?！?/p>

電動(dòng)汽車防火市場(chǎng)火了

防止電動(dòng)汽車電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)是一個(gè)重要課題。電池組設(shè)計(jì)和主機(jī)廠的多樣性要求需要采用許多不同類型的材料來(lái)防止或延遲熱失控傳播。

電動(dòng)汽車市場(chǎng)快速增長(zhǎng)給材料供應(yīng)商帶來(lái)了很大機(jī)會(huì)，在IDTechEx看來(lái)，2023年到2034年，電動(dòng)汽車電池防火材料CAGR在16.3%上下。

過去幾年，有大量材料供應(yīng)商進(jìn)入這一領(lǐng)域。有的在重新調(diào)整現(xiàn)有材料用途，有的在制定專門解決方案，幾乎每家供應(yīng)商都至少有一種用于該應(yīng)用的材料選擇。

2024年1月，在日本東京Automotive World 2024上，Dow和H.B.Fuller展示了封裝泡沫等材料。雖然這些材料主要用于圓柱形電芯系統(tǒng)，但也有機(jī)會(huì)將其應(yīng)用范圍擴(kuò)大到棱柱形和軟包電池。

Denka和Fujipoly分別展示了含有吸熱添加劑的玻璃纖維材料和硅橡膠，Stanley Engineered Fastening也進(jìn)入了這一領(lǐng)域，展示了用于電池組熱管理散熱片、膨脹補(bǔ)償器和熱障層。

不僅限于電芯之間，F(xiàn)ujikura展示了一種石墨基膨脹材料，在高溫情況下會(huì)膨脹，在電池組密封件周圍形成保護(hù)層。

在3月的InterBattery 2024上，Shinsung C&T、Wacker、3M、Alkegen和Aspen Aerogels等公司展示了有助于電池防火安全的材料。由于氣凝膠具有低密度和導(dǎo)熱性，無(wú)疑是一種越來(lái)越受關(guān)注的材料。盡管在防塵和高成本存在一些挑戰(zhàn)，但它開始越來(lái)越多地被Aspen和Alkegen等公司采用。IDTechEx預(yù)測(cè)，到2034年，電動(dòng)汽車電池氣凝膠市場(chǎng)將超過26億美元，至少翻5倍。

其實(shí)，上述材料處于項(xiàng)目開發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn)的不同商業(yè)化階段。目前，用于電動(dòng)汽車電池防火的材料已超過130種。

材料供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)

材料供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)之一是供應(yīng)鏈，一些主機(jī)廠從中國(guó)或韓國(guó)采購(gòu)組裝好的電池模組，這意味著主機(jī)廠對(duì)電芯之間使用的材料幾乎無(wú)能為力。當(dāng)然，隨著主機(jī)廠內(nèi)部生產(chǎn)的進(jìn)展，這種情況正在發(fā)生變化。許多主機(jī)廠還與其他零部件材料供應(yīng)商建立了牢固關(guān)系，以定制需要的產(chǎn)品。

材料必須平衡熱導(dǎo)率、密度、厚度/體積、介電強(qiáng)度、最高保護(hù)溫度以及最終成本等特性。由于每種材料固有優(yōu)缺點(diǎn)不同，供應(yīng)商的產(chǎn)品組合或多或少適合電池的各種應(yīng)用；例如，圓柱形、棱柱形或軟包電池之間、模組級(jí)、模組蓋、母線、密封、通風(fēng)口等的保護(hù)。

電池設(shè)計(jì)的多樣性

電動(dòng)汽車使用各種電芯和電池結(jié)構(gòu)。2022年，55%銷售的新型電動(dòng)汽車是棱柱形電芯，其中軟包電池占24%，其余是圓柱形電芯。每種電芯間的材料都有不同需求，影響著防火材料采用的趨勢(shì)。例如，圓柱形系統(tǒng)主要使用封裝泡沫，而棱柱形系統(tǒng)通常使用云母等片材。

許多制造商也在轉(zhuǎn)向無(wú)模組技術(shù)（CTP，cell-to-pack）設(shè)計(jì)，去除了模組外殼等許多材料，以提高能量密度，但熱失控傳播預(yù)防也更具挑戰(zhàn)性。這些設(shè)計(jì)極大地影響了防火材料的選擇和部署。

有許多材料適用于電動(dòng)汽車電池防火。瓷釉涂布是一種常見的選擇，可提供電池電芯上方和蓋子保護(hù)，延遲電池組外部的熱量傳播。流行的云母片可為電芯間提供薄厚度的優(yōu)異介電性能；氣凝膠在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用不斷進(jìn)展，通用汽車、豐田和奧迪也都在使用。

特斯拉等的圓柱形電芯組大量采用封裝泡沫，以提供輕質(zhì)隔熱和結(jié)構(gòu)。軟包電池通常使用壓縮墊，以適應(yīng)電芯膨脹。一些材料商開始將這種功能與防火結(jié)合，以提供多功能解決方案。

此外，還有許多材料可供選擇，聚合物供應(yīng)商正在大力推動(dòng)為電池組提供阻燃聚合物，包括膨脹性能聚合物。它與金屬和防火材料結(jié)合，材料更輕，幾何形狀更可定制，成本更低。不過，其挑戰(zhàn)在于集成EMI屏蔽和提供必要的碰撞性能。

IDTechEx預(yù)測(cè)顯示，每輛車將更多地采用防火材料。不過，這必須與電池開發(fā)趨勢(shì)相結(jié)合，以減少材料使用。電池設(shè)計(jì)和材料方案的多樣性為多個(gè)市場(chǎng)和供應(yīng)商提供了巨大機(jī)遇。預(yù)計(jì)從2023年到2034年，該市場(chǎng)將以16.3% CAGR成長(zhǎng)。

乘用車并非唯一的電動(dòng)化市場(chǎng)，微型汽車、卡車和公共汽車等行業(yè)的電動(dòng)化也呈現(xiàn)出強(qiáng)勁增長(zhǎng)。IDTechEx預(yù)測(cè)，到2034年，汽車以外細(xì)分市場(chǎng)將占電動(dòng)汽車細(xì)分市場(chǎng)防火材料收入的19%，其價(jià)值將增長(zhǎng)近9倍。

幾乎沒有跡象表明，汽車行業(yè)會(huì)確定一個(gè)特定的電芯尺寸。雖然特斯拉出于成本考慮使用圓柱形電芯，但也在評(píng)估使用棱柱形LFP（磷酸鐵鋰）電芯；寶馬和通用汽車也在使用用圓柱形電芯；棱柱形電池在中國(guó)極為常見；軟包電池繼續(xù)受到LG化學(xué)和SKI客戶的青睞，如福特和大眾。

CTP設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于，由于電芯尺寸較大、能量更多，且去除了模組外殼，這意味著更多電芯相鄰接觸，增加了熱事件在更多電池組中傳播的風(fēng)險(xiǎn)。不過，該設(shè)計(jì)仍有幾個(gè)可能的位置應(yīng)用防火材料。事實(shí)上，沒有模組外殼會(huì)更加強(qiáng)調(diào)防火材料本身，以提供額外的安全性。

密度與熱導(dǎo)率意味著隔熱，通過對(duì)幾種商業(yè)產(chǎn)品熱導(dǎo)率和密度的比較，可以看到氣凝膠表現(xiàn)非常好，熱導(dǎo)率和密度非常低；泡沫和陶瓷也表現(xiàn)良好；云母的密度要高得多，也表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能，可用于薄板，防塵比氣凝膠和陶瓷更好處理。

芳綸纖維通?？勺鳛檩^薄絕緣層使用的另一種材料，而不是作為全包級(jí)覆蓋物或壓縮墊的替代品。

材料強(qiáng)度（kg/kWh）也是一個(gè)重要的指標(biāo)，在進(jìn)行防火材料替換時(shí)，需要考慮用多少新材料才能實(shí)現(xiàn)原有材料的強(qiáng)度。

在價(jià)格（US$/kWh）方面，大多數(shù)材料的價(jià)格范圍類似。不過，每種電池設(shè)計(jì)都需要不同數(shù)量的材料，會(huì)受提供保護(hù)所需材料的密度和體積的影響。

由于材料的膨脹，圓柱形電芯的最好選擇是泡沫。但將所有電芯完全封裝在密封劑中會(huì)增加很大重量和潛在成本。PCM（相變材料）吸熱比較好，但集成性較差，還會(huì)增加電池尺寸和重量。

電池組內(nèi)要使用母線、互連和/或高壓電纜，都需要有效的電絕緣；800V或更高電壓的趨勢(shì)（尤其是大型車輛）更強(qiáng)調(diào)電氣絕緣性能。

上述材料中的大多數(shù)已具有UL94 V-0等級(jí)，隨著人們更加關(guān)注熱失控和防火安全，這些絕緣材料需要更高的耐溫性，以在熱失控情況下提供更長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)。

寫在最后

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，防火安全問題日益凸顯。電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，其安全性直接關(guān)系到整車安全。

面對(duì)電動(dòng)汽車火災(zāi)事故的挑戰(zhàn)，行業(yè)一直在積極尋求解決方案。一方面，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量與監(jiān)管、提升充電設(shè)施安全、培養(yǎng)車主安全意識(shí)等措施被提上日程；另一方面，電動(dòng)汽車防火材料市場(chǎng)也迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇，呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展態(tài)勢(shì)。通過平衡材料性能、降低材料成本，將滿足不同電池設(shè)計(jì)的防火需求，推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。