新能源汽车动力电池的安全防护符

动力电池是电动车的“心脏”，其使用寿命和安全性被认为是电动车能否大规模普及的关键。其中动力电池中端面盖板的密封性又是决定动力电池的安全性能的关键，然而目前国内主要新能源材料研究重点关注的是锂离子电池的正极、负极、隔膜及电解质材料，往往对电池两电极极柱的封接问题少有涉及。动力电池的正、负极柱的密封不但与电池的安全性息息相关，而且对电池的能量密度也有极大影响。

什么是电池盖板和极柱？

一般电动汽车的能源是由电池包或电池组提供的，包含若干个电池单元通过串并联组合而成，作为电池单元的锂离子电池，其结构包括电芯、容纳电芯的电池壳以及电池壳一端的电池盖板组件。

成品电池（左）、电池结构示意图（右）

而盖板上的正负极柱，就是成品电池对外部导通电路的正负极。一般电池盖板组件通过激光焊连接到电池壳体上,其气密性容易得到保证,但电极极柱与电池盖板上通孔内壁之间的电绝缘密封材料是薄弱环节,容易发生泄漏而影响电池寿命并产生安全隐患,最严重的情况是发生燃烧和爆炸。所以电池极柱的密封性、耐老化性、电绝缘性等具有很重要的意义。

电池电极极柱的封接技术

1.塑料封接

电池电极极柱的塑料密封技术是最早被采用的,因为塑料的电绝缘性好同时塑料的易变形性使得它能与接触面形成紧密物理接触,从而起到密封作用。

塑料封接技术已在动力电池中应用了近十年的时间,其优点是有良好的电绝缘性、工艺简单、制造成本相对较低。但塑料一般都容易老化,且容易因为温度变化或震动时的交变应力而造成较大形变，使密封效果大大降低，从而导致电解液泄漏或潮气渗入，引起安全问题。而且一般塑料密封圈耐温性有限，当电池温度异常时，可能会熔化使内部可燃气体外溢而产生燃烧。这些问题使得塑料密封寿命和安全性均有一定的不足。

常见的塑料密封结构

2.玻璃封接

玻璃封接的核心在于构建穿贯件结构，它包括金属芯柱、金属环形密封盖和位于二者之间的封接玻璃,其作用是电绝缘和密封。金属芯柱从密封盖上的孔插入，孔内壁和芯柱之间用封接玻璃进行密封。这样既有利于压缩型封接,也有利于匹配型封接。

常见的玻璃封接结构

玻璃封接技术的最大优点是玻璃与金属表面的氧化膜能形成化学键结合,比起塑料密封的物理密封气密性更好,此外玻璃或玻璃陶瓷密封材料也具有优良的电绝缘性。但缺点是玻璃的强度和韧性有限,还有玻璃预制体制作过程中低温条件下排胶不净的问题,玻璃与封接夹具的粘结问题,以及密封盖在焊接时封接玻璃容易受到热冲击而开裂的问题等，导致玻璃密封的工艺难度较高。此外，单一的玻璃材料很难承受住电解液的腐蚀作用，必须要经过特殊的改性。

目前，在特种玻璃领域具有一百多年技术沉淀的德国肖特集团是动力电池的电极极柱玻璃封接的先行者，针对电池密封性薄弱环节，肖特创新性的推出了玻璃-铝密封(GTAS)材料替代聚合物作为密封材料，改善动力电池的气密性。但该技术在国内起步不久，还有许多应用问题需要解决。

肖特玻璃不锈钢/玻璃铝电极密封

3. 陶瓷金属化封接

陶瓷具备优越的电绝缘性和机械强度,在电子行业用做密封件已越来越普遍，近些年已逐渐有龙头电池企业用陶瓷密封来代替常见的塑料密封，其代表性企业就是比亚迪，拆开比亚迪的“刀片电池”，可以看到电芯就是用的陶瓷密封，使安全性大大提升。

陶瓷与金属的连接技术在锂离子电池的出现之前就已经是相当成熟了,所以采用陶瓷材料来封接电极的一般方法自然是先做陶瓷金属化,实现陶瓷表面的金属属性，然后进行钎焊焊接。

关于陶瓷与金属的封接有多种方法，具体可详细看下文。

陶瓷用于功率器件的关键工艺：金属与陶瓷封接

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电极极柱陶瓷密封

陶瓷密封环充分发挥陶瓷材料的高绝缘、高强度、耐高温、耐老化、耐腐蚀等特性，通过金属化焊接后具备良好的气密性，且极耐高温，能承受得住急剧的温度变化，机械强度高，封接处尺寸公差小，使用寿命和安全性大大提升。但陶瓷金属化封接技术涉及钎焊料的使用,容易导致陶瓷绝缘体与被封接的金属基体之间存在多层界面,使界面因为热膨胀系数的不匹配而开裂，影响密封性。因此活性钎料开发、钎焊工艺研究和构件结构设计等，是动力电池研发和生产中存在的陶瓷与金属封接关键技术难题。

目前，该领域由娄底市安地亚斯公司领先市场，产品采用高纯氧化铝陶瓷及厚膜镀镍工艺技术生产，适用于钎焊铜和铝等不同材质。

电池极柱陶瓷密封环

总结

先进陶瓷材料凭借各项优越性能，已逐渐在多种新兴领域呈现替代传统材料的趋势，许多产品性能提升的契机往往就在一些关键处的材料和工艺改善。陶瓷密封环的使用有望对长久以来的塑料密封进行全面替代，也或许将来会出现融合了几种方式优点的组合式封接技术，这些都离不开对工艺的持续性研究，以实现更佳的密封解决方案，使动力电池产品的性能得到进一步提升。

参考来源：

1. 动力锂离子电池玻璃封接技术的专利文献综述，缪锡根、潘华路、申亮、缪波、何纪生（中澳科创(深圳)新材料有限公司）；

2. 动力电池电极连接密封材料的发展。

粉体圈 小吉

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