電動汽車“火了”，防火材料市場也要出圈

安全對汽車行業(yè)至關重要，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，國內(nèi)電動汽車起火時有發(fā)生，實際上每年都差不多。隨著電動汽車基數(shù)變大，火災事故的絕對數(shù)量也在增加。

電動汽車起火事件中，很多都與電池有關。作為電動汽車的“心臟”，電池組的設計、制造、使用和維護等環(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，湖南長沙一輛電動汽車行駛途中自燃，現(xiàn)場濃煙彌漫；4月16日，上海嘉閔高架東側(cè)高速一電動汽車起火；4月17日，浙江臺州臨海市杜橋鎮(zhèn)一輛電動汽車自燃起火，被燒報廢；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汽車起火，車輛報廢；4月21日，廣州一輛電動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，一輛電動汽車在山西運城撞上養(yǎng)護車后起火，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汽車起火，車輛燒成空殼；4月30日，上海一輛電動汽車在道路上自燃。

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、跌落等各種測試，幾乎所有的電動汽車品牌也都沒能逃過此劫。

數(shù)據(jù)顯示，無論制造工藝、電芯廠商或電池化學性質(zhì)如何，鋰離子電池熱失控事件概率始終為非零。不過，純電動汽車發(fā)生火災的風險比ICE汽車小得多。作為一項新技術，即使電動汽車起火發(fā)生率很低，也會對車輛乘員和周圍環(huán)境構(gòu)成重大風險。

因此，即使發(fā)生率很低，在發(fā)生熱失控（或其他火災原因）的情況下，限制火災并盡可能長時間保護車輛乘客仍很重要。有效的熱管理、質(zhì)量控制和電池管理系統(tǒng)可以將熱失控風險降至最低，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，指望通過電池技術本身來實現(xiàn)百分之百安全是不可能的，因此必須從以下幾個方面入手，防患于未然。

一是產(chǎn)品質(zhì)量與監(jiān)管：電動汽車起火事件反映了部分電動汽車在產(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，監(jiān)管部門的監(jiān)管力度和標準制定仍需進一步加強。

二是充電設施與充電安全：電動汽車充電設施也是起火事件的原因之一。一些充電設施可能存在安全隱患，如設備老化、充電接口松動等，都會導致電動汽車充電過程中起火。

三是車主使用習慣與安全意識：一些車主可能存在不當使用、過度充電、長時間高溫停放等行為，都可能增加電動汽車起火風險。

事實上，中國是熱失控特定法規(guī)的早期采用者，除了新國標法規(guī)要求的電池熱失控監(jiān)測外，還增加了電池系統(tǒng)熱擴散試驗，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，為乘員預留安全逃生時間。

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

電動汽車防火市場火了

防止電動汽車電池熱失控和火災是一個重要課題。電池組設計和主機廠的多樣性要求需要采用許多不同類型的材料來防止或延遲熱失控傳播。

電動汽車市場快速增長給材料供應商帶來了很大機會，在IDTechEx看來，2023年到2034年，電動汽車電池防火材料CAGR在16.3%上下。

過去幾年，有大量材料供應商進入這一領域。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，幾乎每家供應商都至少有一種用于該應用的材料選擇。

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)，但也有機會將其應用范圍擴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也進入了這一領域，展示了用于電池組熱管理散熱片、膨脹補償器和熱障層。

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

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熱性，無疑是一種越來越受關注的材料。盡管在防塵和高成本存在一些挑戰(zhàn)，但它開始越來越多地被Aspen和Alkegen等公司采用。IDTechEx預測，到2034年，電動汽車電池氣凝膠市場將超過26億美元，至少翻5倍。

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

材料供應商面臨的挑戰(zhàn)

材料供應商面臨的挑戰(zhàn)之一是供應鏈，一些主機廠從中國或韓國采購組裝好的電池模組，這意味著主機廠對電芯之間使用的材料幾乎無能為力。當然，隨著主機廠內(nèi)部生產(chǎn)的進展，這種情況正在發(fā)生變化。許多主機廠還與其他零部件材料供應商建立了牢固關系，以定制需要的產(chǎn)品。

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

電池設計的多樣性

電動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。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)向無模組技術（CTP，cell-to-pack）設計，去除了模組外殼等許多材料，以提高能量密度，但熱失控傳播預防也更具挑戰(zhàn)性。這些設計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，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；氣凝膠在中國市場的應用不斷進展，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，聚合物供應商正在大力推動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預測顯示，每輛車將更多地采用防火材料。不過，這必須與電池開發(fā)趨勢相結(jié)合，以減少材料使用。電池設計和材料方案的多樣性為多個市場和供應商提供了巨大機遇。預計從2023年到2034年，該市場將以16.3% CAGR成長。

乘用車并非唯一的電動化市場，微型汽車、卡車和公共汽車等行業(yè)的電動化也呈現(xiàn)出強勁增長。IDTechEx預測，到2034年，汽車以外細分市場將占電動汽車細分市場防火材料收入的19%，其價值將增長近9倍。

幾乎沒有跡象表明，汽車行業(yè)會確定一個特定的電芯尺寸。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；棱柱形電池在中國極為常見；軟包電池繼續(xù)受到LG化學和SKI客戶的青睞，如福特和大眾。

CTP設計的挑戰(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險。不過，該設計仍有幾個可能的位置應用防火材料。事實上，沒有模組外殼會更加強調(diào)防火材料本身，以提供額外的安全性。

密度與熱導率意味著隔熱，通過對幾種商業(yè)產(chǎn)品熱導率和密度的比較，可以看到氣凝膠表現(xiàn)非常好，熱導率和密度非常低；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。

芳綸纖維通常可作為較薄絕緣層使用的另一種材料，而不是作為全包級覆蓋物或壓縮墊的替代品。

材料強度（kg/kWh）也是一個重要的指標，在進行防火材料替換時，需要考慮用多少新材料才能實現(xiàn)原有材料的強度。

在價格（US$/kWh）方面，大多數(shù)材料的價格范圍類似。不過，每種電池設計都需要不同數(shù)量的材料，會受提供保護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（尤其是大型車輛）更強調(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，隨著人們更加關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時間的保護。

寫在最后

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

面對電動汽車火災事故的挑戰(zhàn)，行業(yè)一直在積極尋求解決方案。一方面，加強產(chǎn)品質(zhì)量與監(jiān)管、提升充電設施安全、培養(yǎng)車主安全意識等措施被提上日程；另一方面，電動汽車防火材料市場也迎來了發(fā)展機遇，呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展態(tài)勢。通過平衡材料性能、降低材料成本，將滿足不同電池設計的防火需求，推動電動汽車技術的進步和發(fā)展。