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面對日益嚴重的能源危機和環境汙染問題，大力發展新能源汽車已成為國家發展的重要戰略。
國內在應用推廣、產業政策、技術創新、配套設施等方面不斷發力，推動新能源汽車市場的爆發增長，已然成為全球最大新能源汽車市場，且仍有非常大的發展空間。2020年6月份新能源汽車產銷分別完成了10.2萬輛和10.4萬輛，較5月分別增長21.4%和26.8%，根據新能源汽車市場規模模型預測分析，2030年中國市場新能源汽車產銷量將超過1500萬臺。從這一數據可以看到，新能源汽車相比於傳統汽車，是具有極大發展前景的新興產業。
圖1 2018年新能源汽車社會調研
新能源汽車在國內經歷近20年的發展，體系逐漸完善，但仍舊存在許多問題，最常見的問題包括：因車樁比不足，公用充電站少等導致的充電不夠便捷；由於動力電池能效還不夠高，續航裡程差，不適合於中長途旅行；主要因電池可燃性而產生的對整車安全性的憂慮。圖1為2018年針對新能源汽車消費者開展的消費調查，消費者的關注點主要還是電池、充電設施及安全性等問題。在電池技術沒有突破瓶頸的現階段，汽車輕量化是提高電池能源利用效率、增加續航裡程的主要方法，汽車整備質量每減少10%，電耗下降5.5%，續航裡程增加5.5%。同時汽車質量的降低可減小汽車制動距離，提高安全性能。
在新能源汽車中，輕量化需求使得高分子材料在底盤及動力總成、汽車電子、內飾、外飾中有著越來越多的應用。但是，與此同時，近年來的新能源汽車起火事件頻繁發生，導致對安全問題的關注越來越多。2019年1-8月，據不完全統計，國內至少還有19起新能源汽車起火事件。2019上半年，僅蔚來汽車一家就召回了4803輛存在安全隱患的汽車。事故主要原因有電池模組設計缺陷、電池充電中起火、電池碰撞後爆炸、空調故障爆裂等。如何提高電池包的火安全性能，成為新能源汽車急需解決的關鍵問題。
燃油車動力系統主要依靠燃油發動機，燃料的燃燒被約束在密閉的燃燒室中，發動機周邊溫度高，故而動力總成中高分子材料使用量相對較少；此外，燃油汽車的汽車電子部件通常為弱電使用環境，起火風險也相對較小。
與燃油汽車不同，新能源汽車的可燃性風險要高出很多。其主要原因有二：其一是動力電池包及輸電線纜的載荷高，更易導致因超載荷導致的起火，一旦動力系統自身起火，或因為周邊材料起火而被引燃，極易造成火勢的迅速擴大，甚至爆燃；其二是因為輕量化導致大量的高分子材料被應用於新能源汽車中，隨著汽車輕量化的程度不斷提高，汽車能效在提高的同時，火安全性下降。
圖2 特斯拉起火
因此，新能源汽車的阻燃越來越受到關注和重視。新能源汽車阻燃材料近年來研究較多，已實現一定應用的包括充電樁、動力系統（動力電池及周邊）以及內飾材料。
充電樁雖然不是新能源汽車的車載系統，但它是配合新能源汽車進行充電行為的必備設施，因此作為新能源汽車系統配套設備在此進行討論。由於充電樁在充電過程中載荷大，工作時間相對較長，且通常在充電過程中無人員值守，起火風險更高。針對於充電樁的實際使用需求情況，其材料的選擇和對阻燃的需要有著各不相同的指標和要求。
1.1充電樁外殼
中國質量認證中心CQC於2016年4月發布的國內首個《電動汽車充電設施非金屬材料外殼技術規範》，對充電樁的外殼材料的耐老化、阻燃、耐溫、電氣絕緣等方面的性能提出了指標上的建議。殼體材料不僅要滿足防護外力作用的要求，故需要材料達到一定的強度，還要滿足在阻燃性能和電性能以及耐候方面的要求。在指標上，通常需要阻燃等級達到1.5mmV-0等級；灼熱絲起燃溫度大於775℃；加速老化測試後，力學性能保持需大於70%。同時還需要外觀美觀，色牢度高等。通常，非金屬的外殼阻燃材料會選用無滷阻燃的PC材料或者PC合金材料，參照PC的無滷阻燃需求，通常的無滷阻燃劑可以是磷酸酯類阻燃劑或者磺酸鹽類阻燃劑。阻燃ABS也可以作為殼體材料，但無滷阻燃ABS的阻燃效果及整體性能的平衡性比溴系阻燃ABS的要差。
1.2充電電纜
在充電樁的充電線纜方面，高分子材料主要應用在線纜的內護層和外護套方面。目前用於充電電纜的材料很多，包括交聯聚乙烯、交聯乙丙橡膠、熱塑性彈性體，當然有時還會選擇PVC等有滷材料創製。在這些材料中，由於充電線纜經常被拖拽、繞曲，所以更偏向於採用柔軟度較高的材料，如，TPE、TPU等是比較常被選用的充電電纜創製材料。無滷阻燃方面，採用烷基次磷酸鋁的膨脹成炭體系最易創製出符合使用要求的產品。其他阻燃劑體系中，無機系的氫氧化鎂、氫氧化鋁填充量大，性能損失嚴重，材料易開裂；磷酸酯類影響絕緣性，也不常選用。充電樁用充電線纜的各項技術指標的設計要求，是從電纜行業中直接移植過來，國內現有的標準化體系建設尚不完全，因此導致採用各種不同類型樹脂的情況都存在，但總體來說，烷基磷酸鋁阻燃的彈性體的性能是最佳的。
1.3充電槍
充電槍是充電樁與新能源汽車的連接部件，本身除需阻燃性能、電性能、耐候性能優良以外，由於存在摔落和碾壓等風險，因而對剛性和韌性也都有所要求。因此除阻燃需要達到常規的1.5mmV-0等級外，懸臂梁衝擊強度需要大於60KJ/m2，灼熱絲起燃溫度大於775℃，同時還要兼顧外觀。通常來說，充電槍（主要為外殼材料）考慮到外觀手感及光澤度等，會選用PC或者PC的合金材料。在阻燃方面，由於基本與外殼材料有著類似的使用環境，因此與充電樁外殼基本相似，採用烷基次磷酸鋁或者磺酸鹽作為阻燃劑，得到阻燃改性的PC或者PC合金的材料，是最為常見也最多用的充電槍創製材料。
1.4連接器
除以上三個材料外，連接器是充電樁內另一個需要考慮阻燃性能的部件。充電樁的電子連接器由於用電載荷較大，故在普通連接器的基礎上提出了更高的阻燃和電絕緣性能要求，包括阻燃性能要達到1.5mmV-0等級，灼熱絲起燃溫度大於775℃，無滷阻燃材料方面，與常用的連接器相似，通常還是選擇PA、PBT等材料，無滷阻燃一般還是以烷基次磷酸鋁體系阻燃劑為主。
新能源汽車電池系統為新能源汽車提供了有效的能源以及動力，由上蓋、下箱體、模組、銅排、BDU、BMU、接插件、防爆閥、冷卻系統等部分構成。由於單個電池的電荷相對較小，需要的數量大，造成動力電池總成過重，約佔汽車總重的25-30%，本身消耗了大量的電池效能，致使續航減少，甚至對車輛的操控都有不同程度的影響。動力電池包包括電池模塊，電池託架以及外部箱體。傳統電池包的箱體材料一般採用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成，成本較低但質量較大，嚴重影響電池包系統能量密度的提高和新能源汽車的續航能力，在近年來隨著汽車輕量化的推進，越來越多的非金屬材料被應用於外部箱體和電池託架的創製。
2.1動力電池外部箱體
動力電池包是新能源汽車中最為核心和燃燒風險最大的部件，根據動力電池的結構，動力電池的電芯外部由外殼材料包裹，動力電池的燃燒反應發生在電池內部，滅火劑一般不能直接作用於電池內部。對於動力電池包而言，電池包的外殼材料阻擋了滅火劑對起火電芯的直接作用，滅火就更為困難。美標UL2580《電動汽車電池安規標準》對電池包材料的阻燃有嚴格的測試標準。標準規定殼體材料阻燃等級至少應達到UL94V-1級，但是國內現行的產品要求通常要達到1.6mmV-0等級，此外，對其加工性、尺寸穩定性、耐老化性、耐酸鹼、力學性能以及阻燃性等都有較高的要求。
圖3 汽車內飾（來源：NIO）
對於電池外部箱體材料，多以增強樹脂體系為主，如PP-GF、PP-LFT、PAGF、PA-LFT等，材料強度更高，可以為電池模塊提供更好的保護，根據基體樹脂種類，其阻燃劑的選擇亦有所不同。溴銻體系阻燃劑是常見的阻燃體系，包括十溴二苯乙烷、溴化聚苯乙烯等在內的阻燃劑加工性能優良。
PA基材的無滷阻燃可以採用烷基次磷酸鋁體系阻燃劑，增強體系中，MCA阻燃效率通常無法滿足使用需求，而較少用於該產品件的創製中。PP增強樹脂類產品，常見的APP體系的阻燃劑通常來說阻燃效率差，添加量高，較少使用；尤其在電池包箱體中，由於增強材料的存在（通常為玻纖），APP阻燃劑的效率更差。與此相比，焦磷酸哌嗪阻燃劑的阻燃性能好，在增強體系中也有良好的表現，可以用於電池箱體的阻燃改性的。
2.2電池託架
新能源汽車動力電池包中，另外一個重要的部件是電池的託架，需要有較高的強度，以支撐電池的重量。同時，相比於其它部件而言，它距離電池模塊的距離最近，在電池因各類原因起火後，電池託架是最先與火焰接觸的部分之一，因此其在阻燃方面也有很高的要求。在材料選擇方面，一方面要兼顧力學性能，另一方面要考慮阻燃和電性能。此外，電池供在電過程中釋放的熱量在箱體內積蓄，使得箱體內部有一定的溫度，因此對材料的耐溫性能也有一定的要求。基於如上考慮，一般電池託架會選用PA66-GF材料。針對這一類基體樹脂材料，阻燃劑可供選擇的空間不大，溴系阻燃一般還是選擇常見的十溴二苯乙烷和三氧化二銻的經典組合，而無滷方面，基本沒有什麼太大的選擇空間，還是以烷基次磷酸鋁為主。
新能源汽車中的內飾（圖3），如，中控平臺、門板、立柱、儀錶盤、座椅皮面、軟墊及支撐、頂棚織物等大部分採用高分子材料，是新能源汽車中高分子材料用量最多的部分，包括各類塑料件、皮革、織物及發泡材料等。內飾也是與駕駛員及乘客最直接接觸的部分，理論上對阻燃有著很高的要求。內飾材料根據不同部件的使用環境，所選擇的材料範圍很大，主要包括PP、PE、PVC、PET、ABS等，PU、PA、PC、PBT、PS等也有一些應用。燃油車的內飾材料通常是非阻燃的，加之國內對車內氣味控制要求較高，阻燃材料通常的氣味釋放肯定是要大於非阻燃材料的，因此在已成體系的燃油車內飾方面，阻燃技術的應用推進十分緩慢。在新能源汽車中，由於可燃性風險更大，加之新能源汽車體系建立尚不健全，對阻燃材料的接受度要遠遠大於燃油車。
但在內飾應用中，國家沒有強制標準要求企業必須選用阻燃材料，現行的標準大部分為測試方法的標準和CQC推薦標準。材料及至製品件供應商通常按照下遊主機廠的企業標準提供產品，導致行業內質量良莠不齊。目前汽車內飾參照的阻燃標準是《汽車內飾材料的燃燒特性（GB8410-2006）》，但是該標準僅要求了水平燃燒速度不大於100mm/min。這是一個相對較低的標準，某些樹脂如PBT雖然是易燃材料，卻能夠在不經阻燃處理的情況下通過該指標。因此，專門而有效的標準仍舊有待建立。
伴隨著新能源汽車的蓬勃發展和汽車輕量化概念的持續推進，高分子材料的阻燃特性被越來越多地考慮在內，最核心的原因還是由新能源汽車動力電池的存在導致的。
現行的阻燃劑，尤其是無滷阻燃劑，仍舊存在很多使用上的問題，如效率不高、加工性差，或安全性差等，因此對於更高性能的阻燃劑的開發一直是各類材料行業所期待的。與此同時，阻燃是一個系統工程，撇開整體單獨探討材料阻燃性能顯然是不合適的。同樣地，在新能源汽車領域，只強調材料的防火性能遠遠不夠，它需要充放電控制技術、電池本質安全技術、材料阻燃技術以及現場管理等一系列相關技術的共同發展，只有如此，才能更有效地推動新能源汽車安全水平的有效提高。當然，材料作為基礎環節，無疑在這一發展中佔據著重要一環。材料無滷化是大趨勢，但並不是說有滷材料在未來就應該被捨棄。
筆者認為，高分子材料的阻燃特性會得到越來越多的重視，而有滷無滷的競爭會因為各自在不同領域的優勢及缺陷而達成平衡，最終實現共存共榮，共同為人類的防火安全提供保障。
本文選自《國際塑料商情》11月刊
作者：葉文，功能材料事業部部長/高級工程師，上海化工研究院有限公司
排版：Lily