离子液体功能化氢硼增强型聚氨酯CTM蓄电池密封剂
发布时间：2026-07-24 19:30:25 点击： 次
随着新能源汽车（NEVs）电池技术的持续发展，电力电池密封剂的全面性能要求日益严苛。本研究提出了一种创新策略，通过引入离子液体功能化氮化硼纳米片（IL-fhBNNS）作为多功能填充剂，制备高性能聚氨酯动力电池密封剂（PUS）。[BMIM]足底筋膜炎6通过加热搅拌法去除和功能化氢硼，成功生成平均侧向尺寸为1.59微米、厚度为3.77纳米的IL-fhBNNS。基于聚氨酯预聚合物（PUP）和IL-fhBNNS合成了一系列PUS样品，结合预聚合物法与铸造成型法。研究了添加IL-fhBNNS对密封剂热导率（TC）、阻燃性、机械性能、附着力和溶剂抵抗性的影响。基于全面的实验结果，PUS-4展现了最佳的综合性能。得益于鈾基质中IL-fhBNNS形成的密集三维热传导网络，PUS-4的热传导功率达到2.701瓦米-1K-1，比纯PU增长了963.39%。与此同时，PUS-4表现出优异的热稳定性和阻燃性能，显著降低了PHRR（265.69千瓦/米）2）和THR（59.09 MJ/m）2分别降低44.19%和35.70%，并且与纯PU相比达到V-0阻燃等级。此外，PUS-4表现出优异的机械性能，应力和应变分别达43.98兆帕和550.16%。PUS-4还表现出令人满意的粘附性能和溶剂抵抗性。PUS-4在钢基底上的搭接剪切力达到3382.56 N。因此，PUS在解决电池热管理和密封问题方面展现出极大的应用潜力。
全球气候治理和严格的环境法规推动了绿色交通需求，推动新能源汽车（NEV）市场的爆炸性增长[1]。作为新能源汽车的核心组件，电池正带来前所未有的市场机遇[2,3]。作为动力电池的关键材料之一，电力电池密封剂在确保电池性能、稳定性、安全性和使用寿命方面发挥着关键作用[4]。随着电力电池技术的快速发展，电力电池密封剂的全面性能要求日益严格，包括阻燃性、热导率、机械性能、附着力、轻量化设计和能量吸收能力[[5]、[6]、[7]、[8]、[9]]。
热管理在动力电池的结构设计中起着关键作用。NEV通常采用锂电池作为动力来源。在运行过程中，锂电池内部化学反应持续产生热量可能导致远离冷却板的区域局部热量积累[[10]， [11]， [12]]。过高温度会直接导致电池性能下降和周期寿命缩短，甚至可能引发燃烧或爆炸等安全事件[13]。为应对这一技术难题，必须赋予密封剂高热导率和阻燃性能，以提升整体热管理效率。通过建立高效的热传导路径，密封剂能够迅速将电池产生的热量引导到冷却系统[14,15]。同时，阻燃特性有效阻断热失控的传播，使电池组保持在最佳工作温度区间（20–40°C）[16]。作为提升续航力的关键技术，NEV的轻量化已成为未来发展中的必然趋势。电力电池密封剂还必须实现并联的轻量化[17,18]。电池模块的紧凑结构要求密封剂在固化前具有低粘度，以确保良好的流动性以实现彻底填充[19]。作为电池与外壳之间的中间层材料，电力电池密封剂还必须具备优异的阻尼性能、粘附强度和绝缘性能[20]。当NEV遇到颠倒时，密封剂可以有效吸收和缓冲机械冲击，确保粘结界面的稳定性，并防止电池发生电气泄漏[21,22]。
目前常用的密封剂类型包括硅胶、环氧树脂和聚氨酯（PU）[[23]， [24]， [25]。与前两者相比，PU具有可调节硬度和模量、宽强度范围、高弹性和抗冲击性、优异耐磨性、强附着力和低温耐性等优势[26,27]。因此，PU已成为解决传统电池密封剂技术限制的重要材料[28]。然而，PU的热导率相对较低，仅为0.18–0.20 W/（m·K），远未满足电力电池的散热需求[29]。为解决此问题，PU可通过加入高导热无机填充物来增强其内在热导率[30]。六角氮化硼（h-BN）作为无机陶瓷导热填充剂，表现出卓越的热导率、电绝缘性和热稳定性 [[31]， [32]， [33]， [34]]。这些卓越的特性使氢硼在电池封装领域具有独特优势[23,35]。秦等人实现了0.64瓦米的热导率（TC）-1K-1通过在其设计的蓖麻油基聚氨酯（CIPU）导热结构胶配方中掺入35%的苯[36]。不幸的是，由于其化学惰性，氢-苯与PU基体的界面相互作用较弱，导致色散性差且易聚集[[37]， [38]， [39]]。聚集行为阻碍了鈾基体中h-BN完整热导通路的形成，严重限制了热传导效应的改善[[40]， [41]， [42]]。此外，燃烧过程中聚集的氢硼可能降低密封剂的屏障效果，降低其阻焰性能[43,44]。在这种情况下，现有PU密封剂主要依赖增加氢-BN的添加以提升热导率和阻燃性，但这种方法提高了生产成本并损害材料的机械性能[[45]， [46]， [47]]。为解决这些问题，可以利用h-BN的表面功能化来增强色散并促进与PU基质的兼容性[[48]， [49]， [50]]。
由B和N原子电子云耦合引起的强烈层间相互作用赋予了氢硼高剥离能[51,52]。使氢硼同时实现有效去角质、高导热性和阻燃功能仍是一大挑战。传统的氢-BN功能化处理主要包括表面活性剂修饰、硅烷偶联剂处理和聚合物嫁接技术[[53]， [54]， [55]]。然而，这些加工方法通常涉及强烈的化学反应和复杂的工艺，可能会损伤氢-苯晶格结构，从而阻碍高效剥离和功能化，同时实现高热导率和阻燃性。在这方面，迫切需要开发一种简单、轻度反应条件和有效功能化的治疗方案。此外，目前用于氢-苯功能化的常用制备方法主要包括液相剥离和机械化学球磨[56,57]。Tiwari等人通过超声波分散制备乙氧官能化氢-苯（m-BN），随后使用共旋双螺杆挤出机制造出具有优异热导率的m-BN/热塑性聚氨酯（TPU）纳米复合材料[58]。Wu等人利用氨基酸/h-BN辅助球磨法制备可溶性官能基化BNNS（f-BNNS），随后通过溶液铸造法获得具有优异热力和机械性能的f-BNNS/EP复合材料[59]。然而，传统的液相去角质和球磨方法在功能化BNN的大规模生产中可能存在一些问题，如去角质纳米片的重叠和尺寸不均，这些存在一定局限性。因此，迫切需要一种简单且可行的方法，以实现h-BN的有效去角质和功能化。
本文提出了一种简单高效的聚氨酯电力电池密封剂制备方法。1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM]PF6）作为多功能添加剂，通过加热搅拌法去角质并功能化氢硼，从而制备离子液体官能化六方氮化硼纳米片（IL-fhBNNS）。[BMIM]足底筋膜炎6实现了BNNS的去蚀，同时作为高效的阻燃剂，非共价固定在BNNS表面。随后，通过无溶剂铸造成型法将IL-fhBNNS与聚氨酯预聚合物（PUP）及其他添加剂混合，制备了一系列聚氨酯动力电池密封剂（PUS）。与纯PU相比，填充IL-fhBNNS的PUS显著提升了热导性和阻燃性能，展现出高柔韧性和优异的机械性能，以及强的粘附强度和耐溶剂性。PUS的研究将为安全可靠的电池密封剂制造提供有意义的信息。
图形摘要
热管理在动力电池的结构设计中起着关键作用。NEV通常采用锂电池作为动力来源。在运行过程中，锂电池内部化学反应持续产生热量可能导致远离冷却板的区域局部热量积累[[10]， [11]， [12]]。过高温度会直接导致电池性能下降和周期寿命缩短，甚至可能引发燃烧或爆炸等安全事件[13]。为应对这一技术难题，必须赋予密封剂高热导率和阻燃性能，以提升整体热管理效率。通过建立高效的热传导路径，密封剂能够迅速将电池产生的热量引导到冷却系统[14,15]。同时，阻燃特性有效阻断热失控的传播，使电池组保持在最佳工作温度区间（20–40°C）[16]。作为提升续航力的关键技术，NEV的轻量化已成为未来发展中的必然趋势。电力电池密封剂还必须实现并联的轻量化[17,18]。电池模块的紧凑结构要求密封剂在固化前具有低粘度，以确保良好的流动性以实现彻底填充[19]。作为电池与外壳之间的中间层材料，电力电池密封剂还必须具备优异的阻尼性能、粘附强度和绝缘性能[20]。当NEV遇到颠倒时，密封剂可以有效吸收和缓冲机械冲击，确保粘结界面的稳定性，并防止电池发生电气泄漏[21,22]。
目前常用的密封剂类型包括硅胶、环氧树脂和聚氨酯（PU）[[23]， [24]， [25]。与前两者相比，PU具有可调节硬度和模量、宽强度范围、高弹性和抗冲击性、优异耐磨性、强附着力和低温耐性等优势[26,27]。因此，PU已成为解决传统电池密封剂技术限制的重要材料[28]。然而，PU的热导率相对较低，仅为0.18–0.20 W/（m·K），远未满足电力电池的散热需求[29]。为解决此问题，PU可通过加入高导热无机填充物来增强其内在热导率[30]。六角氮化硼（h-BN）作为无机陶瓷导热填充剂，表现出卓越的热导率、电绝缘性和热稳定性 [[31]， [32]， [33]， [34]]。这些卓越的特性使氢硼在电池封装领域具有独特优势[23,35]。秦等人实现了0.64瓦米的热导率（TC）-1K-1通过在其设计的蓖麻油基聚氨酯（CIPU）导热结构胶配方中掺入35%的苯[36]。不幸的是，由于其化学惰性，氢-苯与PU基体的界面相互作用较弱，导致色散性差且易聚集[[37]， [38]， [39]]。聚集行为阻碍了鈾基体中h-BN完整热导通路的形成，严重限制了热传导效应的改善[[40]， [41]， [42]]。此外，燃烧过程中聚集的氢硼可能降低密封剂的屏障效果，降低其阻焰性能[43,44]。在这种情况下，现有PU密封剂主要依赖增加氢-BN的添加以提升热导率和阻燃性，但这种方法提高了生产成本并损害材料的机械性能[[45]， [46]， [47]]。为解决这些问题，可以利用h-BN的表面功能化来增强色散并促进与PU基质的兼容性[[48]， [49]， [50]]。
由B和N原子电子云耦合引起的强烈层间相互作用赋予了氢硼高剥离能[51,52]。使氢硼同时实现有效去角质、高导热性和阻燃功能仍是一大挑战。传统的氢-BN功能化处理主要包括表面活性剂修饰、硅烷偶联剂处理和聚合物嫁接技术[[53]， [54]， [55]]。然而，这些加工方法通常涉及强烈的化学反应和复杂的工艺，可能会损伤氢-苯晶格结构，从而阻碍高效剥离和功能化，同时实现高热导率和阻燃性。在这方面，迫切需要开发一种简单、轻度反应条件和有效功能化的治疗方案。此外，目前用于氢-苯功能化的常用制备方法主要包括液相剥离和机械化学球磨[56,57]。Tiwari等人通过超声波分散制备乙氧官能化氢-苯（m-BN），随后使用共旋双螺杆挤出机制造出具有优异热导率的m-BN/热塑性聚氨酯（TPU）纳米复合材料[58]。Wu等人利用氨基酸/h-BN辅助球磨法制备可溶性官能基化BNNS（f-BNNS），随后通过溶液铸造法获得具有优异热力和机械性能的f-BNNS/EP复合材料[59]。然而，传统的液相去角质和球磨方法在功能化BNN的大规模生产中可能存在一些问题，如去角质纳米片的重叠和尺寸不均，这些存在一定局限性。因此，迫切需要一种简单且可行的方法，以实现h-BN的有效去角质和功能化。
本文提出了一种简单高效的聚氨酯电力电池密封剂制备方法。1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM]PF6）作为多功能添加剂，通过加热搅拌法去角质并功能化氢硼，从而制备离子液体官能化六方氮化硼纳米片（IL-fhBNNS）。[BMIM]足底筋膜炎6实现了BNNS的去蚀，同时作为高效的阻燃剂，非共价固定在BNNS表面。随后，通过无溶剂铸造成型法将IL-fhBNNS与聚氨酯预聚合物（PUP）及其他添加剂混合，制备了一系列聚氨酯动力电池密封剂（PUS）。与纯PU相比，填充IL-fhBNNS的PUS显著提升了热导性和阻燃性能，展现出高柔韧性和优异的机械性能，以及强的粘附强度和耐溶剂性。PUS的研究将为安全可靠的电池密封剂制造提供有意义的信息。
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