进入 21 世纪以来，随着锂离子电池技术的发展成熟，电动汽车迎来了快速发展。尤其是近几年，电动汽车渗透率快速上升，已经形成了对于传统燃油车的颠覆性发展趋势。但目前电动汽车的续航里程焦虑、冬季续航衰减、电池安全等问题，仍然在一定程度上阻碍着其获得更广泛市场的认可。改善这些问题需要对动力电池技术进行进一步的创新和发展，而电池技术的创新与新材料的开发和应用息息相关，包括电芯内电极材料等，也包括系统集成层面壳体材料等。动力电池壳体，包括电池系统箱体、上盖等，目前较多采用金属材质，包括钢、铝等。金属材质强度高、技术成熟，可以很好地满足电池壳体的机械承载性能需求。但随着对电池能量密度、保温性能等的需求逐步提升，轻量化复合材料已实现取代或部分取代金属材质，已成为电池壳体的一项重要技术发展趋势，得到越来越多的关注和探索应用。尤其是复合材料上盖等已经在市场量产车型上实现大规模量产应用，且使用范围和用量还在不断扩大和提升，未来将发挥越重要的作用。
1 复合材料应用概述
在汽车领域，树脂基纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP）已经得到了大范围的应用，其最常见的应用场景是取代传统金属材质以实现轻量化，包括车身、内外饰件、底盘护板等。按树脂基体的加工特性，FRP可分为热固性复合材料和热塑性复合材料，在汽车领域都有大规模应用。常见热固性树脂有环氧树脂等，其特性是一次性加热固化成型，不能重复加工，具有高强度、耐热性好、电性能优良、抗腐蚀、耐老化、尺寸稳定性好等优势。常见热塑性树脂有聚丙烯（PP）、尼龙 / 聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）等，其特性是受热软化、冷却硬化，可重复加工，具有抗冲击韧性好、加工便利、可回收等优势。
汽车用纤维增强复合材料中常用纤维有碳纤维、玻璃纤维等。其中碳纤维强度高，但生产工艺复杂，价格高昂，限制了其在新能源汽车中的大规模应用。玻璃纤维强度低一些，成本也更低廉。但是碳纤维和玻璃纤维复合材料的再生利用和回收都存在一定的困难，可能对环境造成一定的负面影响。
增强纤维按其在复合材料制品中保留的纤维尺寸可以分为短纤维、长纤维、连续纤维等。其中连续纤维增强复合材料的强度、刚度、耐冲击性等性能最优，在汽车轻量化方面具有巨大应用潜力。
树脂基复合材料成型工艺有模压成型、 树脂传递成型、纤维缠绕成型法、拉挤成型法等。适用于箱盖产品大型面板结构的主要是模压成型、树脂传递成型工艺。其中模压成型是将一定量的模压料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。采用模压成型的非连续纤维热固性复合材料有 SMC（片状模塑料）、BMC （块状模压料）、TMC（厚片状模塑料）等；模压成型非连续纤维热塑性复合材料有 GMT（玻璃纤维毡热塑性塑料）、LFT-D（长纤维增强热塑性复合材料直接在线生产工艺制品）、LFT-G（长纤维热塑性颗粒注射制品）等；模压成型连续纤维复合材料有 PCM（预浸料模压成型）、WCM（湿法模压成型）等。树脂传递模塑成型 (RTM) 工艺是将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法。传统 RTM 工艺存在一些弊端，如树脂浸渍率不高导致气孔等缺陷、树脂流动会冲散纤维造成纤维屈曲 / 分布不均、大型制品树脂流动不均匀等问题；对此又改进发展了了高压树脂传递模塑成型 (HP-RTM) ，
真空辅助树脂灌注工艺 (VARTM) 等工艺。其中 HP-RTM 相对于传统 RTM，主要是提升注胶压力，借助高压制造出低孔隙率和高纤维体积分数的制品。
目前常见的动力电池箱盖材质有钢、铝合金、复合材料等。其中钢材质具有强度高、成本低的优势。为了满足轻量化需求，目前多采用高强度钢，如 HC340/DP590 等，厚度可以做到 0.8mm、0.7mm。为了满足防腐要求，一般进行表面电泳处理。为了提升热防护能力，还可喷涂防火涂层等。
铝合金材质相较钢材质，具有更高的比强度，具有轻量化优势。一般多采用 5 系铝合金冲压成型，厚度可以做到 1.5mm、1.2mm。铝合金在空气中自动生产氧化层，其本身具有较好的防腐能力。不过由于具有导电性、熔点低的特性，可对其进行电泳 / 喷塑处理、喷涂防火涂层、贴覆防护层等以增强绝缘能力、抗热防护能力。
复合材料方面，早期在动力电池壳体中的应用主要是采用 SMC 等非连续玻纤工艺制作电池上盖等。比如北汽 EU5 等车型动力电池上盖。但 SMC 工艺由于采用短纤维，材料强度不高（拉伸强度一般小于 100MPa），为了满足机械性能要求，一般厚度在 2mm 或2.5mm 以上，轻量化效果不佳。近年来，随着连续纤维成型工艺的发展成熟，尤其是 PCM、HP-RTM 等由碳纤维复合材料发展的成型工艺拓展应用到成本更低的玻纤复合材料领域，连续玻纤增强复合材料动力电池上盖产品开始得到规模化应用。连续玻纤增强复合材料目前可以做到比铝合金更高的强度（抗拉强度可达到 400MPa 以上），同时密度比铝合金更低（约 1.9g/cm3），在满足机械性能的前提下厚度可以做到 1.2mm甚至更薄，轻量化效果更为显著。此外其连续玻纤组分具有一定的抗火烧性能（树脂基体燃烧碳化），整体本身具有绝缘性，在安全性方面相较铝合金更具优势。但相比钢和铝合金，目前连续玻纤增强复合材料的成本较高。
目前已实现规模化应用的连续玻纤增强复合材料上盖成型工艺主要是 PCM 和 HP RTM，两种工艺生产的产品性能可以达到相近的水平。其中 PCM 工艺一次性投入成本（设备、模具）相对较低，原材料为预浸料，需人工铺设，生产效率略低，比较适于小批量 /样件生产。HP-RTM 成型设备复杂，投资较高，模具费较高，原材料为干纤维布，人工铺设量较少，树脂真空高压注入，生产效率较高，产品表面状态好。
3.1国际厂商
加拿大Magna International 公司：公司Magna Exteriors部门自2019年以来，便参与了复合材料电池外壳开发活动，专注于使用阻燃不饱和聚酯（UP）或乙烯基酯（VE）树脂的模压SMC。
德国STS Group AG：自2019年以来已为中国的多个项目提供SMC电池盖，该公司于2022年开始在弗吉尼亚州建造一座新的SMC模塑工程。STS集团花了三年时间验证了连续玻璃或碳纤维增强的酚醛树脂和环氧树脂，这些基体可以在长期暴露于高温后提供残余机械性能。
TPI Composites 公司：这家复合材料风电叶片生产商也在生产复合材料电池外壳组件，为预计于2023-2024年推出的4-8类电动卡车开发电池外壳，公司花了六年时间开发和验证各种材料/工艺，主要是基于连续纤维（玻璃纤维、碳纤维或混合物）浸渍酚醛树脂或高温阻燃环氧树脂，采用高压RTM、湿法复合成型和其他技术。
德国Kautex Textron GmbH&Co.KG与材料供应商Lanxess AG合作：探索使用热塑性复合材料替代大型电动汽车电池外壳上的钢和铝。对于一款C级（中型）轿车，展示了一个1400×1400毫米的电池外壳，包括一个连接到一体式防撞结构的托盘、车底保护装置和顶盖。结构件使用Durethan B24CHM2.0玻璃纤维增强PA6，采用压缩D-LFT（长纤维热塑性塑料）制造，这是一种适合快速、经济地生产大型部件的一步法工艺。
美国Lyondell Basell Industries公司：自2016年以来一直为商用电动汽车电池外壳项目提供SMC。Lyondell Basell已将其锻造Preg连续单轴、双轴和三轴碳纤维增强混合SMC与高强度Premi SMC和高温Quantum ESC SMC等级共同模压，以优化质量和性能。
美国Teijin Automotive Technologies：在北美、欧洲和亚洲拥有十多年的压模复合材料EV电池盖和完整外壳的经验，主要使用短纤维/热固性片状模塑复合材料（SMC）。Teijin也在研究混合材料方法，使用长纤维局部增强短纤维材料，并致力于为其大批量材料创建材料卡片（用于模拟软件），以帮助客户开发新产品。
日本三菱化学（Mitsubishi Chemical Group Corp.,MCG）：已在全球范围内为复合材料电动汽车电池外壳提供材料，包括GMT和GMTex材料。该公司正在开发创新的多功能材料，以承受热失控事件，例如用于电池外壳的新型阻燃热塑性复合材料，该材料已通过了在1000°C火焰中暴露超过5分钟的测试。该公司还在探索将生物基热固性树脂系统用于其玻璃纤维和碳纤维增强预浸料。
沙特SABIC：为中国市场的本田汽车公司电动汽车提供阻燃短玻璃纤维增强聚丙烯（PP）树脂，该聚合物在暴露于火焰时可形成膨胀焦，使其具有自熄行为。这是第一个通过中国GB 18384-2020规范的盖子。与金属电池外壳相比，SABIC的注塑热塑性塑料可节省40%的重量，有助于延长行驶里程，同时功能集成简化了组装并降低了成本。
德国SGL Carbon：于2021年便开始为北美汽车制造商生产电池外壳的碳纤维和玻璃纤维复合材料顶层和底层。大容量应用是电动汽车底盘的关键部件，满足重量、刚度、冲击防护、热管理、防火以及水和气体防渗的严格要求。
廊坊飞泽复材有限公司：技术领先的工业4.0复合材料部件智能化生产线，年产30万件复合材料部件，是国内率先实现汽车领域碳纤维复合材料零部件批量生产的高科技企业。公司拥有VARI、RTM、预浸料袋压（OOA）、预浸料模压、热压罐、拉挤等传统工艺，以及湿法模压、HP-RTM、PCM、SMC及其配套工艺的研发、试制及量产能力，单个部件成型时间80秒，实现了碳纤维复合材料在汽车领域的规模化、快速化、自动化生产。飞泽复材开发的“连续玻璃纤维增强热塑性夹芯复合材料技术”获批廊坊市安次区工业科技成果转化资金项目（河北省县域创新跃升计划专项）。该技术于2022年1月成功实现技术转化，在某品牌新能源汽车实现量产交付并已累计下线3.8万件。
杭州卡涞复合材料科技有限公司：致力于提供高性能复合材料轻量化解决方案，推出了使用高压树脂传递模塑成型（HP-RTM）工艺的聚氨酯电池包上壳体解决方案，并在主流动力电池制造商实现批量生产。同时与科思创合作研发开创了聚氨酯复合材料在新能源汽车电池包领域的应用。主要生产汽车零部件系统、储能系统（电池箱、碳纤维高压气瓶）并提供高效、高性价比、定制化的轻量化解决方案。服务客户有宁德时代、吉利汽车、东风汽车、上汽大众、长城蜂巢、理想汽车、恒大汽车等。
亚普汽车部件股份有限公司：专注于生产碳纤维燃料电池储氢罐、锂电车碳纤维复合材料PCM电池上盖，客户涉及大众、通用、福特、Stellantis、雷诺日产、丰田、奔驰、上汽乘用车、一汽、长安、长城等。公司自主研发的复合材料动力电池包上盖，轻量化效果显著，降低了电池包整体重量，有利于提升电动车续航里程。此外，公司正在与某头部电池厂合作开发热塑性电池包上盖，已完成样件试制；正在与某电池厂合作研发多材料融合下托盘，并依托该项目与高校开展保温材料研究，该产品相对铝合金下托盘可减重约 20%，同时可提升保温效果。
山东格瑞德集团有限公司：早在2016年，山东格瑞德集团有限公司就已成功研发LFT—D热塑型复合材料电池板，LFT-D电池盖具有可回收、重复利用的优点，重量比铝制电池板轻60%，比普通SMC复合材料轻40%，能使新能源汽车续航里程增加30公里。先后与奇瑞汽车股份有限公司、上汽万向新能源客车有限公司等多家公司签订了购销合同。山东格瑞德集团轻量化复合材料板块，拥有国内领先2000T和4000TLFT-D高速压机生产线两条，315T-4000TSMC专用液压机十余台，可实现月加工高强、轻质纤维增强复合材料制品50000余件，还实现了PCM工艺上箱盖的材料选择、结构优化、检测评估及批量应用，先开发产品近十余款，服务于江铃汽车、长安汽车、北汽集团、上汽集团、大运新能源、力神电池、国轩高科、荣盛盟固利等，现有PCM专用产线三条，具备月加工10000套复合材料制品的能力。
山东双一科技股份有限公司：公司优势在于生产SMC电池盖、LFT-D电池盖，通过搭建有限元仿真平台，公司具备了钢结构、热分析、复材结构、工艺、多体动力学等方面有限元仿真能力，并大量应用于叶片模具、风电复材、车辆部件等产品的设计开发，不仅缩短了产品设计周期并可提供最优设计方案；公司掌握并成熟运用LRTM、VARI、SMC、LFI等十余种可满足各类玻纤、碳纤复材成型要求的先进生产工艺；配备多种型号五轴联动数控龙门加工中心（CNC)、多种工艺自动化生产线，可生产加工各类复杂曲面模具、轻质高强部件、整体终端制品。主要客户有长城汽车、比亚迪、美国通用等。
杭州华聚复合材料有限公司：华聚生产的PP蜂窝板-新能源车电池护板采用高强度聚丙烯材料制成，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点。其独特的蜂窝结构设计，不仅能有效分散冲击力，还能提供良好的隔热和隔音效果。这种设计不仅能够保护电池免受外部冲击和振动的影响，还能有效降低电池温度，提高电池的工作效率和寿命。其轻质化设计不仅能减轻整车重量，提高车辆的续航里程，还能降低能源消耗，减少对环境的污染。同时，其可塑性、强度和可加工性高的特点能够有效抵御外部冲击，保护电池免受损坏，提高电池的安全性和稳定性。
金发科技股份有限公司：2023年，由宁德时代&金发科技联合申报的电池包耐烧蚀注塑上盖材料荣膺第八届铃轩奖（中国汽车零部件年度贡献奖）前瞻类金奖。这意味着金发科的高分子材料研发平台联合进行产业链创新突破的综合能力。
株洲时代新材料科技股份有限公司：时代新材新材料公司PACK结构封装产品在储能领域取得重要突破。现已生产HP-RTM复合材料上盖应用于动力电池、储能电池的电池包,用于密封保护电池包内部的电芯。与传统工艺的金属材质电池包上盖相比,HP-RTM复合材料上盖经由高压注射工艺制作,轻量化特征明显,单个产品可减重60%以上;具有优异的阻燃性能,满足UL94 V-0防火级别,800℃、5min后上盖不烧穿、不起火不爆炸;具有优异的绝缘性能,满足10kv电压不被击穿。主要客户是别克、奥迪、昌河、长安等。
树脂基连续纤维增强复合材料具备较高的强度，在电池上盖轻量化方面具有很大应用潜力。树脂基连续纤维增强复合材料上盖可以满足安全性等设计要求，相较金属材质上盖具有明显轻量化优势。未来将会在更多的项目中得到量产应用，对电池和整车的轻量化、进而对车辆续航等性能的提升做出贡献。
来源：
1、《连续纤维增强复合材料在动力电池箱盖上的应用》-北京新能源汽车股份有限公司
2、《复合材料电池外壳的优势与未来发展趋势》-中国科学院宁波材料所