摘 要：硅胶泡棉作为电池包密封圈的选材，具有优异的回弹性能、良好的耐候性、防水性、气密性和长期工作的稳定性，是严苛环境条件下的防水密封的理想选择。随着电动车的发展，硅胶泡棉作为电池包密封圈的用量也越来越大；硅胶泡棉作为电池包上盖和下箱体密封的中间材料，对电池包防护等级IP67及以上起到关键作用；本文通过实验室数据、分析、总归纳了下箱体与胶带，胶带与硅胶泡棉，硅胶泡棉本身及硅胶泡棉与上盖共4种密封失效模式及解决方案。

关 键 词：硅胶泡棉，电池包，密封性能，失效模式、解决方案

Abstract: Silicone foam as a material for battery pack sealing gasket, has excellent rebound performance, good weather resistance, waterproofing, airtightness, and long-term stability, making it an ideal choice for waterproof sealing under harsh environmental conditions. With the development of electric vehicles, the amount of silicone foam used as a battery pack sealing gasket is also increasing; Silicone foam as the intermediate material for sealing the upper cover and lower box of the battery pack, plays a crucial role in ensuring a protection level of IP67 for the battery pack; This article summarizes four sealing failure modes and solutions based on laboratory data, analysis, and summarization: lower box and tape, tape and silicone foam, silicone foam itself, and silicone foam and upper cover

Keywords: silicone foam, battery pack, sealing performance, failure mode, solution

1、背景介绍

硅胶泡棉是乙烯基硅油、含氢硅油及填料通过发泡、交联工艺压延成型制成的，具有有机硅橡胶的耐候，绝缘及耐腐蚀性能[1-2]，同时具有发泡材料的可压缩性能。硅胶泡棉材料再通过背胶，冲切，分条，拼接工序；将硅胶泡棉片材制成密封圈零部件，在正常的工况中具有良好的防水防尘性能及可拆卸性能。

电池包作为电动汽车的“心脏”，其密封性能直接影响电池包系统的正常工作及整车使用安全，根据根据GB/T 31467.3《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法》和GB/T4208－2017《外壳防护等级(IP代码)》规定[3]，电动汽车电池包应满足防护等级≥IP67防护等级；电池包由电池包下箱体及上盖组成，硅胶泡棉密封圈在箱体与上盖之间通过螺栓锁紧进行压缩，金属环控制压缩量，使硅胶泡棉在一定压缩应力下起到密封作用。

随着电动汽车的发展，硅胶泡棉密封圈的用量也与日俱增；硅胶泡棉密封圈作为电池包中的一个关键零部件，对其研究也变的迫切和重要；本文主要对电池包密封圈密封失效模式进行分析提出解决方案，有利于电池包从业者对硅胶泡棉密封圈深入的了解。

2、硅胶泡棉密封失效模式

硅胶泡棉密封圈往往需要背双面胶带进行使用，目的是方便人工安装定位；在电池包组装车间，工人先要将密封圈的离心纸撕下，然后将胶带贴在下箱体上；用手按压使整个密封圈贴到规定的位置；然后盖上上盖，锁紧螺栓，进行气密性测试。安装之后的结构从下往上分别为下箱体、双面胶带、金属环，硅胶泡棉、上盖，螺栓（如下图1）；

图1：电池包密封件关系示意图

在电池包进行防水密封测试时，如进行IPX7测试[4]：将电池包放入1m深水下浸泡30min,看箱体内是否有水进入；如果水进入箱体内则该箱体不能满足IPX7要求，否则判断合格。水能够从箱体外部进入箱体内部，有四个途径：1.从下箱体与双面胶带接触面进入；2.从双面胶带与硅胶泡棉接触面进入；3.从硅胶泡棉本体中进入；4.从硅胶泡棉与上盖进入。 

2.1 下箱体与双面胶带接触面密封失效

双面胶带结构(如下图2)，其中基材普遍有膜（pet）、棉质和无基材三类，在电池包安装密封圈过程中考虑到人工贴错返工的情况，往往会选择基材pet膜的胶带进行贴合。

图2：双面胶带结构示意图

带膜基材双面胶带的密封圈，在弯曲和折弯过程中胶带会有褶皱(如下图3)，在贴合过程中，褶皱存在没有舒展的情况，形成通路，水就有可能从外部进入箱体内部；从而导致电池包箱体内部进水密封失效的情况；

图3：密封圈胶带存在褶皱

解决此类失效模式：1.降低双面胶带基材的厚度；2.提高双面胶带丙烯酸类胶粘剂的厚度；降低基材厚度能够有效减少较大褶皱的产生，有利于胶带与下箱体贴合；在贴合按压的过程中，压敏性质的丙烯酸类胶粘剂能够起到填平褶皱的作用，提高丙烯酸类胶粘剂的厚度也能使胶带与箱体更好的贴附；在同类型国产胶带VP100（pet基材厚度0.01-0.014mm,丙烯酸胶粘剂厚度0.1mm）和HP160（pet基材厚度0.01-0.014mm,丙烯酸胶粘剂厚度0.16mm）氦检密封测试结果中，HP160胶带的表现要优于VP100。

当胶带粘接性能异常，如离心纸对丙烯酸类胶粘剂的粘接力＞丙烯酸类胶粘剂对基材（pet）的粘接力，在贴合泡棉时，丙烯酸类胶粘剂会附带在离心纸上而被撕掉；此时贴合在下箱体的泡棉就没有胶粘剂对下箱体的浸润和粘接作用，从而导致密封失效；

另外，下箱体与双面胶带密封面存在贯穿内外的异物，胶带胶粘剂无法填补下箱体、异物、胶带的间隙使密封失效(如下图4)。

图4：下箱体存在异物密封失效模式图

可以在安装硅胶泡棉之前检查下箱体的密封面情况，有异物，如结构胶，可以用解胶剂将其去除，同时用酒精擦拭去除油污，飞尘等，使下箱体平整能够更好的与双面胶带粘接贴合。

2.2 双面胶带与硅胶泡棉接触面密封失效

在硅胶泡棉背胶工艺过程中，由于硅胶泡棉表面能低、吸附力差、浸润困难等因素，使得双面胶带与硅胶泡棉贴合困难，易在硅胶泡棉表面与双面胶之间产生气泡，导致贴合在电池包箱体的密封圈密封失效；

在背胶之前要用硅胶处理剂处理硅胶泡棉表面，使其溶胀引起微结构变化[5]，再辅助与硅胶泡棉相容性好，有带有极性基团的化学物质进行链接[6]，再贴合双面胶带完成背胶工艺；处理剂的成分一般是正己烷、氯仿、苯类等有机溶剂再添加3-三甲氧基甲硅烷基丙基酯异丁烯酸、乙烯基封端聚硅氧烷、四丁基钛酸酯等极性化合物；有机溶剂使硅胶泡棉表面溶胀，极性化合物与双面胶胶粘剂、硅胶泡棉表面进行聚合链接；使双面胶带能够很好的粘接在硅胶泡棉上。

2.3 硅胶泡棉本体密封失效

硅胶泡棉属于发泡材料，泡孔结构有开孔和闭孔区别；闭孔泡孔通常定义为泡棉里的气泡为独立存在的，闭孔泡棉吸水率和透湿性较低如下图（b）；而开孔泡棉中的气泡是两个及以上泡孔联通的，开孔泡棉内部气体是可以窜动的，吸水率及透湿性较高如下图（a）如图5。

 图5：开孔泡棉与闭孔泡棉SEM图

在电池包进行1m水深测试密封性能时，电池包内部往往处于负压情况；外面的水会通过开孔泡棉泡孔透进电池包内部，凝结成小水珠；导致电池包内部有水渍。

选择硅胶泡棉材料时，开孔和闭孔可以通过对泡孔横切面进行扫描电镜进行区分，还可以通过材料的物理性能进行区分，对于相近密度(350--420kg/m3)的硅胶泡棉，反弹应力（大于60kpa）、吸水率（小于5%）通常是闭孔材料；参考密封圈设计性能要求如表1所示。就能避免硅胶泡棉开、闭孔原因导致密封失效的案例。

表1：动力电池箱体用硅胶泡棉性能参数

2.4 硅胶泡棉与上盖接触面密封失效

为了满足电池包密封可拆卸的使用要求，硅胶泡棉与电池包上盖接触面通常不背胶，直接与上盖接触；通过压缩应力挤压硅胶泡棉使泡棉与上盖完全贴附，阻止外部水的渗入(如下图6)；

 图6：上盖与泡棉密封失效力学模型示意图

F-上盖对泡棉产生的压缩应力；

f1--泡棉、上盖对水的表面张力以及水压的总和；

f2--泡棉与上盖产生的与f1反方向的作用力，该力随着F的增大而增大；

影响f1的因素有上盖、泡棉的表面自由能大小；材料的表面自由能与材料表面的微观结构及材质有关；一般金属的表面自由能会大于高分子复合材料，光滑材质的表面自由能会大于粗糙材料；表面自由能越大，对水的表面张力就越大。影响f2的因素，也与上盖及泡棉的表面自由能有关，当上盖与泡棉的表面自由能差值越大，越易贴合；

当压缩应力产生的贴附效果(f2)不足以抵消水渗入力值总和（f1），则出现渗水的风险；当f1＜f2时，能够阻止水的渗入。

需要明确的是硅胶泡棉与上盖的贴附性能（f2）与压缩应力（F）有关，与泡棉的压缩量没有强相关联性；

本实验室设计过类似实验可以佐证1.用10mm厚度硅胶泡棉制成宽20mm回型框,用两块亚克力板将回型框压缩至8.4mm（压缩量16%）进行1m水深浸泡，24h后回型框内没有进水，可以通过IPX8测试。2.用铝型材铣出边框为6mm宽的样件，再与（1）硅胶泡棉配合，同样将两块亚克力板将宽20mm回型框中间位置压缩至8.4mm,其余部位不压缩，放入1m水深浸泡，24h后3个样件都从亚克力板与泡棉接触面漏水（如下图7）。

图7：与6mm宽工装配合压缩16%测试结果

分析：该泡棉在压缩16%时压缩应力为43kpa，当配合6mm宽的压缩工装进行测试时，泡棉与工装接触面的压缩应力为43kpa，泡棉与亚克力板的压缩应力为6mm/20mm乘以43kpa，为12.9kpa。压缩应力较小使泡棉与亚克力板贴附效果(d)弱于工装对泡棉(c)（如下图8），从而泡棉与亚克力板接触面渗水。

图8：压缩量相同对泡棉贴附效果不同

在电池包设计过程中工程师通过金属环定义间隙，从而保证密封泡棉密封时所需的压缩量，实现密封；然后这种设计理论只适合于上下两个受力面相同的情况，在实际情况中，泡棉在压缩过程中会有溢出，导致上下两个受力面不一样，压缩应力有区别，从而导致某个面贴附较差而渗水。

不同的硅胶泡棉、不同的箱体材质、表面微观结构以及不同防护等级所需的最小压缩应力不同，设计时应使泡棉与箱盖压缩应力F大于所需的最小压缩应力，才能避免水渗入箱体内部的风险。

3、结论

本文归纳了电池包密封失效的四种模式及解决方案：下箱体与双面胶带接触面密封失效、双面胶带与泡棉接触面密封失效、泡棉本体密封失效以及硅胶泡棉与上盖的密封失效。

1、对于下箱体与双面胶带密封失效，分析原因：主要检查双面胶带中的丙烯酸类胶粘剂是否可以填平基材带来的褶皱问题，双面胶带与下箱体是否贴合平整，有没有贯穿的异物。可以通过控制基材厚度（0.01-0.014mm）,丙烯酸类胶粘剂0.16mm来解决褶皱问题；

2、对于双面胶带与泡棉接触面密封失效，分析原因：看胶带与硅胶泡棉是否有气泡，可以通过硅胶处理剂解决硅胶泡棉难背胶问题。

3、对于泡棉本体密封失效，通过扫描电镜观察横切面泡孔结构以及泡棉的材料性能来判定开闭孔情况，开孔泡棉水汽易通过泡孔渗入进入箱体内。

4、对于泡棉与上盖密封失效，主要原因是泡棉、上盖对水的表面张力以及水压的总和（f1）大于泡棉与上盖产生的作用力（f2）。可以通过增大上盖对泡棉的压缩应力F从而提高f2来规避风险，不同材质、表面微观结构不一样的上盖及不同的泡棉所需的最小f2也不同，能够保证密封所需的最小压缩应力F也不同。

参考文献

[1]SHEN D, YUAN L, LIANG G, et al. Thermally resistant photocross linked dampingpoly(phenylene oxide)-fluoros ili- cone rubber films with broad and high effective damping temperatures[J]. Journal of Applied Polymer Science,2019, 136(12):47231-47239.

[2]KWON Y, JUN S, SONG J, et al. Lifetime analysis of rubber gasket composed of methyl vinyl silicone rubber with low-temperature resistance[J]. Mathematical Problems in En- gineering,2015(20):1-9.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.外壳防护等级(IP代码):GB/T 4208—2008[S].北京:中国标准出版社,2008:03-25.

[4]方丽琴,刘行,杜雨恒,等.汽车电喇叭的失效问题分析[J].汽车电器,2020(4):73-74.

[5]SEO J, ISHIHARA K. Diffusion-induced hydrophilic conversion of polydimethylsiloxane/block-type phospholipid polymer hybrid substrate for temporal cell-adhesive <