特斯拉电池散热的秘密武器，竟是一管“胶”？

新型导热胶粘剂“赋能”特斯拉汽车

据中国粉体网了解，特斯拉的Model 3早期使用的动力电池粘接剂其热传导性能并不理想，在车辆高速行驶、反复加减速度或是高温条件下的快速充电过程中，电池核心产生的热量难以迅速且有效地传递散出。

（图源：特斯拉）

比如在炎热的夏季进行快速充电时，电池组的内部温度会迅速升高，有时甚至接近50℃，这远超过了电池芯的最佳工作温度范围（20~40℃），进而影响电池的充放电效率，使车辆的行驶里程大幅缩短。同时，若电池长期暴露在这样的高温条件下，也会大幅提升电池起火或爆炸的安全隐患。

之后，特斯拉应对先前的问题推出采用先进材质的改良型导热胶粘剂。融合了氮化硼、氮化铝等新型高导热填充物的新型材料以其卓越的热传导性能、适宜的粒度、形态以及分布的均匀性，在胶粘剂中形成了一个高效的热传导体系。

根据温度监控数据表明，在高温快速充电的条件下，使用了这种新型导热胶粘剂的电池组内部温度可以稳定在约35℃，有效防止了热量的集中，确保电池内部热量的迅速且均匀的散发，可以使电池在最佳的工作温度区间内运行。

在全面提升性能方面，最新研发的导热胶粘剂，不仅显著提升了电池的热量散发能力，同时也进一步加强了电池模组的结构牢固性，应用了这种新型粘接剂的电池使用寿命得到了显著的增加。在模拟整车使用寿命的充放电测试中，电池容量衰减率显著降低，车辆在多种驾驶条件下的续航能力更加稳定，有效避免了由于电池过热等因素引起的动力性能降低，极大地优化了用户的使用感受，同时也为该品牌的新能源汽车在激烈的市场竞争中增添了更多的优势。

高性能导热胶粘剂热界面材料

导热胶粘剂是一种热界面材料，指应用于两界面处用于粘接与散热的复合材料，主要由树脂基体与导热功能填料构成。导热胶粘剂在大多数基材上有可靠的粘接能力，防止粉尘、水气、振动冲击或化学物质腐蚀对元器件和设备的损害，同时也能从容处理棘手的散热瓶颈问题，也有着轻质、环保、长期可靠性与低成本的优势，因而被广泛用于电子封装、传感器、功率部件、新能源、交通运输、消费者设备、电讯设备、航空航天、医药以及国防等行业，发挥着越来越重要的作用。

（图源：汉高）

导热胶粘剂作为热界面材料的初衷是降低相邻两个界面之间的温度差，使热量迅速传输并散至外界，保持器件或设备的正常运行。基于这个出发点，导热胶粘剂内部需建立尽量多的最短有效热传导路径，并使导热功能粒子与胶粘剂树脂基体的界面间热阻以及导热胶粘剂与界面的接触热阻尽量最小化。商业化导热胶粘剂的导热系数处于中等位置，导热胶粘剂也随着技术发展被赋予了更高的性能要求，取得了更大的发展。

改良型导热胶粘剂的增强导热

填料的选择

目前，导热功能填料对导热胶粘剂的重要性不言而喻，业界的研究焦点往往集中在导热功能粒子的开发、改性与混杂级配这些方面。导热功能填料可分为碳系填料、金属系和陶瓷系。科学合理地选取导热功能填料进行填充，可使导热胶粘剂的导热性能迈上一个新台阶。

碳系填料主要包括了碳纳米管、石墨、石墨烯和碳纤维，它们具有极高本征热导率以及高比表面积与轻质的特性。其中，碳纳米管(CNTs)由于其出色的机械和物理特性引起了研究者的兴趣，其具有很高的导热性，单层纳米管(SWCNTs)的热导率高达6000W/(m·K)、多层纳米管(MWCNTs)为3000W/(m·K)。将CNTs集成到胶粘剂聚合物基体中，可以显著提高整体导热性。

（图源：Carbice）

陶瓷填料具有电绝缘性，是导热胶粘剂最常用的填料种类之一。各种陶瓷填料被添加到导热胶粘剂配方中，如高导热碳化硅、氮化铝、氮化硼和氧化铝粉体，为电子设备应对热量挑战提供有效的助力。

其中，二维的氮化硼由于其在各方面的优异性能而获得了极大的关注。氮化硼具有蜂窝状的原子结构，类似石墨烯结构，有着较高的本征热导率(理论上为面内2000 W/(m·K)，面外380W/(m·K)）。其热传导能力居同类材料之首，且具备出色的热稳定性和化学稳定性。

此外，它还具备较低的介电参数和较高的电阻率，使之成为生产高绝缘导热聚合物的首选填充物，完美满足新能源电动汽车动力电池对导热胶粘剂高效散热和绝缘的双重要求。同时，氮化硼在高温条件下仍能维持其性能不变，这对于电动汽车在高温驾驶或是快速充电过程中电池温度的升高至关重要，它能确保导热胶粘剂在高温环境下依然能够有效地传递热量，防止电池过热而导致性能下降或安全隐患。

仅次于氮化硼的另一陶瓷填料氮化铝导热粉体的热传导率也很高，能够很快地将热量传递出去，这一点极为重要，可以保证动力电池在运行的时候能够将热量高效地散发出去。此外，其绝缘特性在防止导电引起短路等危险的电池复杂电路环境下使用时，确保了安全。

氮化铝具有类似于多种半导体材料的热膨胀系数，可以帮助在各种工况下降低热应力、增强材料间的热兼容性，使之与电池温度波动相适应。在化学稳定性方面，氮化铝粉体具有抗腐蚀性，增强导热胶粘剂的持久性，帮助改善其使用寿命，在电池内部复杂的化学反应和多种外界环境下，都能保持性能不变，从而保证动力电池在长时间内稳定工作。

正是由于添加了氮化硼、氮化铝等高导热填料的增强型导热胶粘剂，特斯拉得以从容应对动力电池散热瓶颈问题。

填料的粒径、形貌、分布等因素的优化

在填料粒度方面，利用独特的加工工艺，将氮化铝的粒度缩小到纳米级别，从而帮助热传导网络密集、不间断地在粘合剂基质中形成，使热量传输速度加快。但过分减小的粒度可能会加剧填料的团聚现象，因此为了达到分散性和导热效果的最佳平衡，需要确定一个合适的粒度范围。

在形貌方面，各种形态的填充材料在构成基体导热网络方面表现出不同的效能。理论上，层状结构的氮化硼在堆积过程中能够构建出最高效的导热路径，然而，层状填充材料在混合时，颗粒接触面积的增加会导致混合物粘度的上升，同时也会显著降低最终制得的导热胶粘剂的弹性，这对实际使用是不利的。

相较之下，球状氮化铝和氮化硼等填料对混合物的稠化作用较轻微，随着填充量的增加，基体的热导率能得到显著增强，而且在加工处理上更为方便。因此，目前有部分研究倾向于采用球状填料或球形产品，以改善导热胶粘剂的整体性能。

填料的分散均匀性是决定热传导效率的核心要素之一。只有填充物均匀地分布在基材中，防止产生热阻集中的区域，才能构成稳定有效的导热路径。采用高效混合、超声波分散等物理手段，辅以合适的分散剂或偶联剂处理填料表面的创新混合技术，使胶粘剂中氮化铝、氮化硼等材料的分散质量得到大幅度优化，达到均匀分散于基材中的目的，进而使胶粘剂的热传导能力得到显著增强。比如含有氮化硼填料的导热粘合剂，经过分散工艺的改进，其导热传导系数可以提高30%左右。

展望

总的来说，导热胶粘剂需在材料内部建立尽量多的最短有效热传导路径，并使界面间与界面外的接触热阻最小化，提升导热效率。

目前，导热胶粘剂的研究较多聚焦于构建导热功能粒子网络，形成高效导热通路。未来的导热胶粘剂研究方向应继续保持前沿与创新，继续投入新型导热通路的构建与降低热阻的研究，降低导热功能粒子的填充量，提升导热胶粘剂的力学、流变学等性能。同时注意借鉴其他功能材料并协同发展，扩充导热胶粘剂的边界与范畴。

更重要的是，需要继续加强传热和粘接方面的深层次机理、模型、表征和计算的基础研究，更好地指导导热胶粘剂的进一步发展。

参考来源：

[1]方国强等：基于新型材料的新能源电动汽车动力电池导热胶粘剂创新研究，浙江汇盛投资集团有限公司

[2]许永伦等：高性能导热胶粘剂热界面材料:机理、现状与趋势，深圳先进电子材料国际创新研究院