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Bornitrid und seine Anwendung in wärmeleitendem Klebstoff für Hochleistungsbatterien

Jan 14, 2019

Wärmeleitender Klebstoff für Power-Batterien




Die Verwendung von wärmeleitendem Klebstoff in einer Batteriebaugruppe spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Leistung und Sicherheit der Leistungsbatterie in vielerlei Hinsicht. Der Zweck des wärmeleitenden Klebstoffs wird im Allgemeinen in vier Kategorien unterteilt: (1) Fixieren, (2) Wärmeübertragung, (3) Flammschutzmittel, (4) Stoßfestigkeit und die speziellen Verwendungsformen von wärmeleitendem Klebstoff sind: (1) Dichtungen, (2) Füllung, (3) Füllung usw.




Bei der thermischen Auslegung ist es oft notwendig, das Gleichgewicht zwischen Lade- und Entladeleistung, Heizwert und Wärmeableitungskapazität von Batterien zu berücksichtigen. Die Leistung von Lithiumbatterien ist extrem temperaturempfindlich. Es ist sehr wichtig, eine geeignete Betriebstemperatur zu erhalten, um die Leistung von Lithiumbatterien voll ausspielen zu können und eine vernünftige Lebensdauer der Batterie aufrechtzuerhalten. Eine vernünftige Auswahl von Wärmeübertragungsmedien sollte nicht nur die Wärmeübertragungskapazität berücksichtigen, sondern auch Faktoren wie Produktionsprozess, Wartungsfreundlichkeit, hervorragende Kostenleistung usw. berücksichtigen.





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Abbildung 1 Akkus für Elektrofahrzeuge

Zusammensetzung und Wärmeleitfähigkeitsmechanismus von wärmeleitendem Klebstoff




Wärmeleitkleber bestehen hauptsächlich aus EP (Epoxidharz), Silikonkautschuk und PU (Polyurethan) Harzmatrix und wärmeleitendem Füllstoff. Typen, Dosierung, geometrische Form, Partikelgröße, Hybridfüllung und Modifizierung von wärmeleitenden Füllstoffen beeinflussen alle die Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitenden Klebstoffen.




Prinzip der Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitendem Klebstoff: Der Hauptträger der Wärmeleitung in Festkörpern sind Phononen oder Elektronen (in Dielektrika wird die Wärmeleitung durch Gitterschwingung erreicht, die Energie der Gitterschwingung wird quantisiert, das Quantum der Gitterschwingung wird Phononen genannt). Anorganische nichtmetallische Kristalle werden üblicherweise durch das Phonon-Konzept durch Wärmeleitung mit geordneter Körnung und Wärmeleitung beschrieben; Da amorphe Kristalle als Kristalle mit sehr feinen Körnern angesehen werden können, kann das Konzept von Phonon auch zur Analyse der Wärmeleitfähigkeit von amorphen Kristallen verwendet werden, jedoch ist ihre Wärmeleitfähigkeit viel niedriger als die von Kristallen. Die meisten Polymere sind gesättigte Systeme ohne freie Elektronen, daher ist der Zusatz von Füllstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Klebstoffen die Hauptmethode zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit. Die wärmeleitenden Füllstoffe sind in der Harzmatrix dispergiert und stehen miteinander in Kontakt, um ein wärmeleitendes Netzwerk zu bilden, so dass die Wärme schnell entlang dem "wärmeleitenden Netzwerk" übertragen werden kann, um so die Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffe zu verbessern in Abbildung 2 dargestellt.




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Abb. 2 Das Diagramm der Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffformungsnetzwerks und kein Netzwerk, das den Wärmeleitkleber bildet

Eigenschaften von Materialien aus hexagonalem Bornitrid (h-BN)




Bornitrid (BN) ist ein Kristall aus Stickstoffatomen und Boratomen. Die chemische Zusammensetzung von Bor (B) beträgt 43,6% und die von Stickstoff (BN) 56,4%. Es gibt vier verschiedene Varianten: hexagonales Bornitrid (H-BN), wie in Fig. 3 gezeigt, rhomboedrisches Bornitrid (R-BN), kubisches Bornitrid (C-BN) und Wurtzit-Bornitrid (W-BN). Unter ihnen hat hexagonales Bornitridmaterial:




Hohe mechanische Festigkeit, hoher Schmelzpunkt und hohe Wärmeleitfähigkeit.




Guter Isolator




Sechseckiges Bornitrid kann einer hohen Temperatur von 800 ° C in der Luft standhalten.




Hexagonales Bornitrid kann in eine Graphen-artige zweidimensionale Struktur, "weißes Graphen" genannt, hergestellt werden, die ausgezeichnete Graphen-ähnliche Eigenschaften aufweist.




Daher ist hexagonales Bornitrid ein ausgezeichnetes Füllmaterial für wärmeleitende Klebstoffe, das auf dem Gebiet thermisch leitfähiger Klebstoffe für Energiebatterien weit verbreitet ist

Anwendungsbereich von Hexagonal-Bornitrid-Wärmeleitkleber




Hexagonales Bornitrid wird als Füllstoff für wärmeleitende Klebstoffe verwendet, um die hohe Wärmeleitfähigkeit und die hohen Isolationseigenschaften voll auszunutzen. Um verschiedene Umweltanforderungen zu erfüllen, gibt es geeignete Gegenmaßnahmen für die möglichen Wärmeleitfähigkeitsprobleme. Es gibt viele Anwendungsarten von wärmeleitenden hexagonalen Bornitrid-Klebstoffen. Die Hauptanwendungsbereiche von wärmeleitenden hexagonalen Bornitrid-Klebstoffen in Akkumulatoren sind folgende:




1. Wärmeleitfähiges Isolationsmaterial mit Phasenänderung




Durch die Nutzung der Eigenschaften des Substrats tritt eine Phasentransformation bei der Arbeitstemperatur auf, wodurch das Material für die Kontaktoberfläche besser geeignet ist. Gleichzeitig wird eine extrem niedrige Wärmebeständigkeit und eine gleichmäßigere Wärmeübertragung erreicht. Es kann verwendet werden, um die Lücke des Moduls zu füllen und Wärme nach außen zu leiten.




2. Wärmeleitband




Durch die Verbindung zwischen Heizgerät und Heizkörper können gleichzeitig die Funktionen Wärmeleitung, Isolierung und Fixierung realisiert werden. Es kann das Volumen der Ausrüstung reduzieren. Es ist eine Option zur Reduzierung der Ausrüstungskosten.




3. Wärmeleitendes isolierendes Elastomer




Gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Druckfestigkeit erfüllen die aktuellen Anforderungen an wärmeleitende Materialien in der Elektronikindustrie. Es ist das beste Produkt, um das binäre Wärmeableitungssystem aus Silikonfett, Wärmeleitpaste und Glimmerfolie zu ersetzen. Diese Art von Produkt ist einfach zu installieren, fördert die automatisierte Produktion und Produktwartung, ist eine neue Art von Material mit großem technologischen und praktischen Nutzen.




4. Flexibles Wärmeleitpad




Eine dicke, wärmeleitende Dichtung, die speziell für die Verwendung von Spaltwärmeübertragungsdesign entwickelt wurde, kann die Lücke füllen und die Wärmeübertragung von Heiz- und Wärmeableitungsbauteilen abschließen. Sie kann jedoch auch die Funktion der Stoßdämpfung, Isolierung, Abdichtung usw. übernehmen. was sich sehr gut für die interne Anwendung von Batteriemodulen eignet.




5. Wärmeleitender Füllstoff




Es kann auch als wärmeleitender Klebstoff verwendet werden, nicht nur mit Wärmeleitfähigkeit, sondern auch als Haft- und Dichtungsfüllmaterial. Durch das Füllen der Kontaktfläche oder des Tankkörpers wird die Wärme der Heizkomponente übertragen. Typische Anwendungen sind zylindrische Batteriemodule.




6. Wärmeleitender Isolierdichtstoff




Wärmeleitende Isolierdichtstoffe eignen sich zum Abdichten elektronischer Bauteile mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung. Nach dem Aushärten besitzt der Klebstoff eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine ausgezeichnete Isolierung, ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, eine gute Haftung und einen guten Oberflächenglanz. Wenn die Klebstoffdosis jedoch zu hoch ist, wird die Energiedichte des Akkus verringert.

Faktoren, die die Eigenschaften von wärmeleitendem Klebstoff beeinflussen




Die Wärmeleitfähigkeit von Füllklebstoffen hängt hauptsächlich von der Harzmatrix, den wärmeleitenden Füllstoffen und der dazwischen gebildeten Grenzfläche ab. Typen, Dosierung, Partikelgröße, geometrische Form, Hybridfüllung und Oberflächenmodifizierung von wärmeleitenden Füllstoffen beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffe.




1. Arten und Dosierungen von wärmeleitenden Füllstoffen




Art und Menge der Füllstoffe beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffe. Wenn der Füllstoff klein ist, ist der Füllstoff vollständig durch ein Matrixharz eingeschlossen, und die meisten Füllstoffteilchen können nicht direkt miteinander in Kontakt treten. Zu diesem Zeitpunkt wird die Klebstoffmatrix zur Wärmeflussbarriere zwischen den Füllstoffpartikeln, was die Übertragung von Füllstoffphonon verhindert, sodass die Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffs unabhängig von der Art des Füllstoffs nicht wesentlich verbessert werden kann. Mit der Erhöhung der Füllstoffdosierung bildet der Füllstoff allmählich ein stabiles Wärmeleitfähigkeitsnetzwerk in der Matrix, und die Wärmeleitfähigkeit steigt zu dieser Zeit schnell an, und das Füllen mit Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist günstiger für die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Klebstoffen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Füllstoffen trägt jedoch nicht zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Systems bei. Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn das Verhältnis von Füllstoff zu Matrixharz 100 übersteigt, die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Verbundstoffen nicht signifikant ist.




2. Größe und Geometrie von wärmeleitenden Füllstoffen




Wenn die Füllstoffdosierung gleich ist, sind Nanopartikel für die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffe günstiger als Mikropartikel. Der Quanteneffekt von Nanopartikeln erhöht die Anzahl der Korngrenzen, erhöht so die spezifische Wärmekapazität und wandelt kovalente Bindungen in Metallbindungen um. Die Wärmeleitfähigkeit von Nanopartikeln ist aufgrund der Änderung von molekularen (oder Gitter-) Schwingungen zu freier Elektronenwärmeübertragung relativ höher. Gleichzeitig ist die Größe der Nanopartikel klein und die Anzahl der Nanopartikel groß, was zu einer größeren spezifischen Oberfläche führt, wodurch leicht ein wirksames Wärmeleitungsnetzwerk in der Matrix gebildet werden kann, wodurch die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird von Nanopartikeln. Wärmeleitfähigkeit von Klebstoffen. Bei Mikronpartikeln ist die spezifische Oberfläche von großformatigen, wärmeleitenden Füllstoffen bei gleicher Füllstoffdosierung geringer und es ist nicht einfach, mit Klebstoffen umwickelt zu werden. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Verbindung höher (es ist einfacher, einen effektiven Wärmeleitpfad auszubilden), was zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Klebstoffen beiträgt.




Wenn die Füllstoffmenge gleich ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Wärmeleitungsnetzwerk durch denselben Füllstoff mit unterschiedlicher Geometrie gebildet wird, unterschiedlich. Das Wärmeleitungsnetzwerk kann leichter durch den gleichen Füllstoff mit einem größeren Aspektverhältnis gebildet werden, was zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix beiträgt.




3. Hybridfüllung von wärmeleitenden Füllstoffen




Verglichen mit dem Füllsystem mit Einzelpartikelgröße ist das Hybrid-Füllsystem mit unterschiedlicher Partikelgröße und gleichem Füllstoff günstiger für die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffe. Gemischte Füllstoffe mit unterschiedlichen Morphologien desselben Füllstoffs sind leichter zu Klebstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit als ein einzelner kugelförmiger Füllstoff. Wenn verschiedene Arten von Füllstoffen richtig dosiert werden, ist die Hybridabfüllung auch besser als die Einzelabfüllung. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass die Hybridfüllung leicht eine kompakte Packungsstruktur bilden kann und die Partikel mit hohem Aspektverhältnis die kugelförmigen Partikel leicht überbrücken können, wodurch der Kontaktwärmewiderstand verringert wird und das System eine relativ höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.




4. Oberflächenmodifizierung von wärmeleitenden Füllstoffen




Es gibt Polaritätsunterschiede zwischen anorganischen Partikeln und der Harzmatrix-Grenzfläche, was zu einer schlechten Kompatibilität zwischen den beiden führt, so dass sich Füllstoffe leicht in der Harzmatrix ansammeln können (nicht leicht zu dispergieren). Außerdem ist die Oberfläche der anorganischen Teilchen aufgrund der großen Oberflächenspannung schwer von der Harzmatrix zu benetzen, und zwischen den Phasengrenzflächen gibt es Hohlräume und Defekte, wodurch der Wärmewiderstand der Grenzfläche erhöht wird. Daher kann die Oberflächenmodifizierung anorganischer Füllstoffteilchen deren Dispersion verbessern, Grenzflächendefekte reduzieren, die Grenzflächenbindungsfestigkeit verbessern, die Phononstreuung an der Grenzfläche verhindern und den freien Weg der Phononausbreitung erhöhen, was zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Systems beiträgt.