進入 21 世紀以來，隨著鋰離子電池技術的發展成熟，電動汽車迎來了快速發展。尤其是近幾年，電動汽車滲透率快速上升，已經形成了對于傳統燃油車的顛覆性發展趨勢。但目前電動汽車的續航里程焦慮、冬季續航衰減、電池安全等問題，仍然在一定程度上阻礙著其獲得更廣泛市場的認可。改善這些問題需要對動力電池技術進行進一步的創新和發展，而電池技術的創新與新材料的開發和應用息息相關，包括電芯內電極材料等，也包括系統集成層面殼體材料等。動力電池殼體，包括電池系統箱體、上蓋等，目前較多采用金屬材質，包括鋼、鋁等。金屬材質強度高、技術成熟，可以很好地滿足電池殼體的機械承載性能需求。但隨著對電池能量密度、保溫性能等的需求逐步提升，輕量化復合材料已實現取代或部分取代金屬材質，已成為電池殼體的一項重要技術發展趨勢，得到越來越多的關注和探索應用。尤其是復合材料上蓋等已經在市場量產車型上實現大規模量產應用，且使用范圍和用量還在不斷擴大和提升，未來將發揮越重要的作用。
1 復合材料應用概述
在汽車領域，樹脂基纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP）已經得到了大范圍的應用，其最常見的應用場景是取代傳統金屬材質以實現輕量化，包括車身、內外飾件、底盤護板等。按樹脂基體的加工特性，FRP可分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料，在汽車領域都有大規模應用。常見熱固性樹脂有環氧樹脂等，其特性是一次性加熱固化成型，不能重復加工，具有高強度、耐熱性好、電性能優良、抗腐蝕、耐老化、尺寸穩定性好等優勢。常見熱塑性樹脂有聚丙烯（PP）、尼龍 / 聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）等，其特性是受熱軟化、冷卻硬化，可重復加工，具有抗沖擊韌性好、加工便利、可回收等優勢。
汽車用纖維增強復合材料中常用纖維有碳纖維、玻璃纖維等。其中碳纖維強度高，但生產工藝復雜，價格高昂，限制了其在新能源汽車中的大規模應用。玻璃纖維強度低一些，成本也更低廉。但是碳纖維和玻璃纖維復合材料的再生利用和回收都存在一定的困難，可能對環境造成一定的負面影響。
增強纖維按其在復合材料制品中保留的纖維尺寸可以分為短纖維、長纖維、連續纖維等。其中連續纖維增強復合材料的強度、剛度、耐沖擊性等性能最優，在汽車輕量化方面具有巨大應用潛力。
樹脂基復合材料成型工藝有模壓成型、 樹脂傳遞成型、纖維纏繞成型法、拉擠成型法等。適用于箱蓋產品大型面板結構的主要是模壓成型、樹脂傳遞成型工藝。其中模壓成型是將一定量的模壓料加入金屬對模內，經加熱、加壓固化成型的方法。采用模壓成型的非連續纖維熱固性復合材料有 SMC（片狀模塑料）、BMC （塊狀模壓料）、TMC（厚片狀模塑料）等；模壓成型非連續纖維熱塑性復合材料有 GMT（玻璃纖維氈熱塑性塑料）、LFT-D（長纖維增強熱塑性復合材料直接在線生產工藝制品）、LFT-G（長纖維熱塑性顆粒注射制品）等；模壓成型連續纖維復合材料有 PCM（預浸料模壓成型）、WCM（濕法模壓成型）等。樹脂傳遞模塑成型 (RTM) 工藝是將樹脂注入到閉合模具中浸潤增強材料并固化成型的工藝方法。傳統 RTM 工藝存在一些弊端，如樹脂浸漬率不高導致氣孔等缺陷、樹脂流動會沖散纖維造成纖維屈曲 / 分布不均、大型制品樹脂流動不均勻等問題；對此又改進發展了了高壓樹脂傳遞模塑成型 (HP-RTM) ，
真空輔助樹脂灌注工藝 (VARTM) 等工藝。其中 HP-RTM 相對于傳統 RTM，主要是提升注膠壓力，借助高壓制造出低孔隙率和高纖維體積分數的制品。
目前常見的動力電池箱蓋材質有鋼、鋁合金、復合材料等。其中鋼材質具有強度高、成本低的優勢。為了滿足輕量化需求，目前多采用高強度鋼，如 HC340/DP590 等，厚度可以做到 0.8mm、0.7mm。為了滿足防腐要求，一般進行表面電泳處理。為了提升熱防護能力，還可噴涂防火涂層等。
鋁合金材質相較鋼材質，具有更高的比強度，具有輕量化優勢。一般多采用 5 系鋁合金沖壓成型，厚度可以做到 1.5mm、1.2mm。鋁合金在空氣中自動生產氧化層，其本身具有較好的防腐能力。不過由于具有導電性、熔點低的特性，可對其進行電泳 / 噴塑處理、噴涂防火涂層、貼覆防護層等以增強絕緣能力、抗熱防護能力。
復合材料方面，早期在動力電池殼體中的應用主要是采用 SMC 等非連續玻纖工藝制作電池上蓋等。比如北汽 EU5 等車型動力電池上蓋。但 SMC 工藝由于采用短纖維，材料強度不高（拉伸強度一般小于 100MPa），為了滿足機械性能要求，一般厚度在 2mm 或2.5mm 以上，輕量化效果不佳。近年來，隨著連續纖維成型工藝的發展成熟，尤其是 PCM、HP-RTM 等由碳纖維復合材料發展的成型工藝拓展應用到成本更低的玻纖復合材料領域，連續玻纖增強復合材料動力電池上蓋產品開始得到規?；瘧谩＿B續玻纖增強復合材料目前可以做到比鋁合金更高的強度（抗拉強度可達到 400MPa 以上），同時密度比鋁合金更低（約 1.9g/cm3），在滿足機械性能的前提下厚度可以做到 1.2mm甚至更薄，輕量化效果更為顯著。此外其連續玻纖組分具有一定的抗火燒性能（樹脂基體燃燒碳化），整體本身具有絕緣性，在安全性方面相較鋁合金更具優勢。但相比鋼和鋁合金，目前連續玻纖增強復合材料的成本較高。
目前已實現規?；瘧玫倪B續玻纖增強復合材料上蓋成型工藝主要是 PCM 和 HP RTM，兩種工藝生產的產品性能可以達到相近的水平。其中 PCM 工藝一次性投入成本（設備、模具）相對較低，原材料為預浸料，需人工鋪設，生產效率略低，比較適于小批量 /樣件生產。HP-RTM 成型設備復雜，投資較高，模具費較高，原材料為干纖維布，人工鋪設量較少，樹脂真空高壓注入，生產效率較高，產品表面狀態好。
3.1國際廠商
加拿大Magna International 公司：公司Magna Exteriors部門自2019年以來，便參與了復合材料電池外殼開發活動，專注于使用阻燃不飽和聚酯（UP）或乙烯基酯（VE）樹脂的模壓SMC。
德國STS Group AG：自2019年以來已為中國的多個項目提供SMC電池蓋，該公司于2022年開始在弗吉尼亞州建造一座新的SMC模塑工程。STS集團花了三年時間驗證了連續玻璃或碳纖維增強的酚醛樹脂和環氧樹脂，這些基體可以在長期暴露于高溫后提供殘余機械性能。
TPI Composites 公司：這家復合材料風電葉片生產商也在生產復合材料電池外殼組件，為預計于2023-2024年推出的4-8類電動卡車開發電池外殼，公司花了六年時間開發和驗證各種材料/工藝，主要是基于連續纖維（玻璃纖維、碳纖維或混合物）浸漬酚醛樹脂或高溫阻燃環氧樹脂，采用高壓RTM、濕法復合成型和其他技術。
德國Kautex Textron GmbH&Co.KG與材料供應商Lanxess AG合作：探索使用熱塑性復合材料替代大型電動汽車電池外殼上的鋼和鋁。對于一款C級（中型）轎車，展示了一個1400×1400毫米的電池外殼，包括一個連接到一體式防撞結構的托盤、車底保護裝置和頂蓋。結構件使用Durethan B24CHM2.0玻璃纖維增強PA6，采用壓縮D-LFT（長纖維熱塑性塑料）制造，這是一種適合快速、經濟地生產大型部件的一步法工藝。
美國Lyondell Basell Industries公司：自2016年以來一直為商用電動汽車電池外殼項目提供SMC。Lyondell Basell已將其鍛造Preg連續單軸、雙軸和三軸碳纖維增強混合SMC與高強度Premi SMC和高溫Quantum ESC SMC等級共同模壓，以優化質量和性能。
美國Teijin Automotive Technologies：在北美、歐洲和亞洲擁有十多年的壓模復合材料EV電池蓋和完整外殼的經驗，主要使用短纖維/熱固性片狀模塑復合材料（SMC）。Teijin也在研究混合材料方法，使用長纖維局部增強短纖維材料，并致力于為其大批量材料創建材料卡片（用于模擬軟件），以幫助客戶開發新產品。
日本三菱化學（Mitsubishi Chemical Group Corp.,MCG）：已在全球范圍內為復合材料電動汽車電池外殼提供材料，包括GMT和GMTex材料。該公司正在開發創新的多功能材料，以承受熱失控事件，例如用于電池外殼的新型阻燃熱塑性復合材料，該材料已通過了在1000°C火焰中暴露超過5分鐘的測試。該公司還在探索將生物基熱固性樹脂系統用于其玻璃纖維和碳纖維增強預浸料。
沙特SABIC：為中國市場的本田汽車公司電動汽車提供阻燃短玻璃纖維增強聚丙烯（PP）樹脂，該聚合物在暴露于火焰時可形成膨脹焦，使其具有自熄行為。這是第一個通過中國GB 18384-2020規范的蓋子。與金屬電池外殼相比，SABIC的注塑熱塑性塑料可節省40%的重量，有助于延長行駛里程，同時功能集成簡化了組裝并降低了成本。
德國SGL Carbon：于2021年便開始為北美汽車制造商生產電池外殼的碳纖維和玻璃纖維復合材料頂層和底層。大容量應用是電動汽車底盤的關鍵部件，滿足重量、剛度、沖擊防護、熱管理、防火以及水和氣體防滲的嚴格要求。
廊坊飛澤復材有限公司：技術領先的工業4.0復合材料部件智能化生產線，年產30萬件復合材料部件，是國內率先實現汽車領域碳纖維復合材料零部件批量生產的高科技企業。公司擁有VARI、RTM、預浸料袋壓（OOA）、預浸料模壓、熱壓罐、拉擠等傳統工藝，以及濕法模壓、HP-RTM、PCM、SMC及其配套工藝的研發、試制及量產能力，單個部件成型時間80秒，實現了碳纖維復合材料在汽車領域的規?；?、快速化、自動化生產。飛澤復材開發的“連續玻璃纖維增強熱塑性夾芯復合材料技術”獲批廊坊市安次區工業科技成果轉化資金項目（河北省縣域創新躍升計劃專項）。該技術于2022年1月成功實現技術轉化，在某品牌新能源汽車實現量產交付并已累計下線3.8萬件。
杭州卡淶復合材料科技有限公司：致力于提供高性能復合材料輕量化解決方案，推出了使用高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝的聚氨酯電池包上殼體解決方案，并在主流動力電池制造商實現批量生產。同時與科思創合作研發開創了聚氨酯復合材料在新能源汽車電池包領域的應用。主要生產汽車零部件系統、儲能系統（電池箱、碳纖維高壓氣瓶）并提供高效、高性價比、定制化的輕量化解決方案。服務客戶有寧德時代、吉利汽車、東風汽車、上汽大眾、長城蜂巢、理想汽車、恒大汽車等。
亞普汽車部件股份有限公司：專注于生產碳纖維燃料電池儲氫罐、鋰電車碳纖維復合材料PCM電池上蓋，客戶涉及大眾、通用、福特、Stellantis、雷諾日產、豐田、奔馳、上汽乘用車、一汽、長安、長城等。公司自主研發的復合材料動力電池包上蓋，輕量化效果顯著，降低了電池包整體重量，有利于提升電動車續航里程。此外，公司正在與某頭部電池廠合作開發熱塑性電池包上蓋，已完成樣件試制；正在與某電池廠合作研發多材料融合下托盤，并依托該項目與高校開展保溫材料研究，該產品相對鋁合金下托盤可減重約 20%，同時可提升保溫效果。
山東格瑞德集團有限公司：早在2016年，山東格瑞德集團有限公司就已成功研發LFT—D熱塑型復合材料電池板，LFT-D電池蓋具有可回收、重復利用的優點，重量比鋁制電池板輕60%，比普通SMC復合材料輕40%，能使新能源汽車續航里程增加30公里。先后與奇瑞汽車股份有限公司、上汽萬向新能源客車有限公司等多家公司簽訂了購銷合同。山東格瑞德集團輕量化復合材料板塊，擁有國內領先2000T和4000TLFT-D高速壓機生產線兩條，315T-4000TSMC專用液壓機十余臺，可實現月加工高強、輕質纖維增強復合材料制品50000余件，還實現了PCM工藝上箱蓋的材料選擇、結構優化、檢測評估及批量應用，先開發產品近十余款，服務于江鈴汽車、長安汽車、北汽集團、上汽集團、大運新能源、力神電池、國軒高科、榮盛盟固利等，現有PCM專用產線三條，具備月加工10000套復合材料制品的能力。
山東雙一科技股份有限公司：公司優勢在于生產SMC電池蓋、LFT-D電池蓋，通過搭建有限元仿真平臺，公司具備了鋼結構、熱分析、復材結構、工藝、多體動力學等方面有限元仿真能力，并大量應用于葉片模具、風電復材、車輛部件等產品的設計開發，不僅縮短了產品設計周期并可提供最優設計方案；公司掌握并成熟運用LRTM、VARI、SMC、LFI等十余種可滿足各類玻纖、碳纖復材成型要求的先進生產工藝；配備多種型號五軸聯動數控龍門加工中心（CNC)、多種工藝自動化生產線，可生產加工各類復雜曲面模具、輕質高強部件、整體終端制品。主要客戶有長城汽車、比亞迪、美國通用等。
杭州華聚復合材料有限公司：華聚生產的PP蜂窩板-新能源車電池護板采用高強度聚丙烯材料制成，具有輕質、高強度、耐腐蝕等特點。其獨特的蜂窩結構設計，不僅能有效分散沖擊力，還能提供良好的隔熱和隔音效果。這種設計不僅能夠保護電池免受外部沖擊和振動的影響，還能有效降低電池溫度，提高電池的工作效率和壽命。其輕質化設計不僅能減輕整車重量，提高車輛的續航里程，還能降低能源消耗，減少對環境的污染。同時，其可塑性、強度和可加工性高的特點能夠有效抵御外部沖擊，保護電池免受損壞，提高電池的安全性和穩定性。
金發科技股份有限公司：2023年，由寧德時代&金發科技聯合申報的電池包耐燒蝕注塑上蓋材料榮膺第八屆鈴軒獎（中國汽車零部件年度貢獻獎）前瞻類金獎。這意味著金發科的高分子材料研發平臺聯合進行產業鏈創新突破的綜合能力。
株洲時代新材料科技股份有限公司：時代新材新材料公司PACK結構封裝產品在儲能領域取得重要突破?，F已生產HP-RTM復合材料上蓋應用于動力電池、儲能電池的電池包,用于密封保護電池包內部的電芯。與傳統工藝的金屬材質電池包上蓋相比,HP-RTM復合材料上蓋經由高壓注射工藝制作,輕量化特征明顯,單個產品可減重60%以上;具有優異的阻燃性能,滿足UL94 V-0防火級別,800℃、5min后上蓋不燒穿、不起火不爆炸;具有優異的絕緣性能,滿足10kv電壓不被擊穿。主要客戶是別克、奧迪、昌河、長安等。
樹脂基連續纖維增強復合材料具備較高的強度，在電池上蓋輕量化方面具有很大應用潛力。樹脂基連續纖維增強復合材料上蓋可以滿足安全性等設計要求，相較金屬材質上蓋具有明顯輕量化優勢。未來將會在更多的項目中得到量產應用，對電池和整車的輕量化、進而對車輛續航等性能的提升做出貢獻。
來源：
1、《連續纖維增強復合材料在動力電池箱蓋上的應用》-北京新能源汽車股份有限公司
2、《復合材料電池外殼的優勢與未來發展趨勢》-中國科學院寧波材料所