Применение и анализ преимуществ гибких нагревателей в области аккумуляторов и новых источников энергии

Оглавление
1. Введение: Гибкие нагреватели, способствующие развитию новой энергетической отрасли
2. Основные типы и технические характеристики гибких нагревателей в области аккумуляторов и новых источников энергии
2.1 Гибкие нагревательные листы на основе полиимида (PI)
2.2 Гибкие нагревательные листы на силиконовой основе
2.3 Графеновые композитные гибкие нагревательные пленки
2.4 Гибкие нагревательные листы PTC
3. Применение гибких нагревателей в ключевых сценариях новой энергетики
3.1 Термическое управление батареями автомобилей на новых источниках энергии
3.2 Защита от низких температур и гарантия производительности аккумуляторов хранения энергии
3.3 Увеличение срока службы аккумуляторов портативных устройств на новых источниках энергии
4. Основные преимущества гибких нагревателей по сравнению с традиционными технологиями отопления
5. Тенденции технического развития и перспективы на будущее

6.Conclusion
1. Введение: Гибкие нагреватели способствуют развитию новых энергетических отраслей
Под влиянием глобального энергетического перехода и стратегии двууглеродной нейтральности новая энергетическая отрасль вступила в этап высококачественного развития. Батареи, являясь ключевыми компонентами для хранения и преобразования энергии, напрямую определяют стабильность их работы, что, в свою очередь, влияет на надежность новых энергетических продуктов. Деградация емкости батарей в условиях низких температур, снижение эффективности зарядки и разрядки, а также требования к термальному управлению в экстремальных условиях стали основными узкими местами, сдерживающими развитие новой энергетической отрасли.
Гибкие нагреватели с их основными преимуществами — легкостью, высокой адаптивностью и точным контролем температуры — стали ключевым техническим решением для решения задач термоменеджмента аккумуляторов. Данные показывают, что в 2023 году мировой рынок гибких нагревателей превысил 3,8 миллиарда долларов США, при этом спрос на системы термоменеджмента аккумуляторов в автомобилях на новых источниках энергии составил 39% от общего объема, что более чем вдвое превышает показатель 2020 года. Этот новый тип теплотехнологий не только меняет систему термоменеджмента аккумуляторов, но и демонстрирует незаменимую ценность в различных сценариях использования новых источников энергии, таких как системы хранения энергии и портативные устройства.
2. Основные типы и технические характеристики гибких нагревателей в области аккумуляторов и новых источников энергии
Гибкие нагреватели, основанные на различиях в материалах подложки и принципах нагрева, получили развитие по нескольким техническим направлениям, каждое из которых выполняет определённые функции в сценариях новых источников энергии. Их основные технические характеристики следующие:
2.1 Гибкий нагревательный лист на основе полиимида (PI)
Гибкий нагревательный лист на основе полиимида является одним из наиболее широко используемых решений для обогрева в области новых энергетических технологий. Он образуется путем высокотемпературного горячего прессования (200–350°C, 5–15 МПа) металлической нагревательной подложки и полиимидной пленки. Нагревательное сердечник изготовлен из сплавных материалов, таких как латунь, нержавеющая сталь или железо-хром-алюминий, и обработан таким образом, чтобы получить индивидуальные контуры; снаружи он покрыт полиимидной пленкой, служащей двусторонним изоляционным слоем.
Этот тип нагревателя обладает выдающейся термостойкостью, с диапазоном температур долгосрочного использования от -200 до 300°C, а толщину можно точно контролировать — ультратонкие модели достигают всего 0,1 мм. В то же время диэлектрическая проницаемость полиимидного материала составляет примерно 3,4, что обеспечивает высокую изоляционную прочность и соответствует высоким стандартам безопасности аккумуляторных батарей. Однако у него есть слабое место — низкая стойкость к проколам, поэтому следует избегать прямого контакта с острыми краями модуля батареи.
2.2 Гибкий нагревательный лист на силиконовой основе (SCS)
Гибкий нагревательный лист на силиконовой основе (SCS) использует силиконовую стекловолоконную ткань в качестве изоляционного слоя, формирует нагревательный слой с помощью металлических травленых линий или намотки резистивной проволоки и изготавливается методом высокотемпературного прессования. Его основное преимущество заключается в чрезвычайно широкой температурной адаптивности — он способен длительное время стабильно работать при температурах от -50 до 250°C, а также обладает отличной устойчивостью к водяному пару и атмосферным воздействиям.
Этот тип нагревателя обладает выдающейся гибкостью, может плотно прилегать к поверхностям цилиндрических и квадратных аккумуляторов, а также имеет высокую механическую прочность и коррозионную стойкость; особенно подходит для применения в наружных устройствах хранения энергии и новых энергетических установках в химической промышленности и других агрессивных средах. В батарейных блоках силиконовый нагревательный лист можно устанавливать в нескольких положениях, например, сбоку и снизу модуля, чтобы обеспечить равномерный нагрев.
2.3 Графеновый композитный гибкий нагревательный фильм
Графеновый композитный гибкий нагревательный фильм — это новая технология, быстро появившаяся в последние годы. В качестве проводящего нагревательного слоя здесь используются композитные материалы из графеновых нанолистов, совмещённые с гибкими печатными платами и несколькими слоями защитных структур. Его главная особенность — чрезвычайно быстрая скорость термической реакции: за 15 секунд температура может подняться до 60°C, при этом эффективность нагрева превышает аналогичные показатели традиционных изделий из металлической проволоки более чем в 3 раза, а энергопотребление снижено на 31%.
Конструкция этого типа нагревателя является точной и обычно включает защитную сетку из нановолокна, дышащий водонепроницаемый слой, термочувствительный слой и проводящую силиконовую гелевую подушку, что обеспечивает эффективный нагрев и позволяет достигать точного контроля температуры благодаря термочувствительности. Благодаря развитию технологии рулонной печати её производственные затраты снизились примерно на 40%, создав основу для масштабного применения.
2.4 Гибкий нагревательный лист PTC

Гибкий нагревательный лист PTC разработан на основе материалов с положительным температурным коэффициентом, и его основное преимущество заключается в функции саморегулирования. Когда температура повышается до заданного диапазона, сопротивление материала PTC резко увеличивается, автоматически уменьшая ток и снижая тепловую отдачу; когда же температура падает, сопротивление уменьшается, восстанавливая мощность нагрева и обеспечивая защиту от перегрева без необходимости использования дополнительного оборудования для контроля температуры.
Этот нагреватель делится на два типа: саморегулирующийся по температуре и с фиксированной мощностью. Саморегулирующийся по температуре тип подходит для малогабаритных аккумуляторных устройств с чувствительными температурами, в то время как тип с фиксированной мощностью может удовлетворять постоянным требованиям к нагреву в условиях больших нагрузок, таких как аккумуляторы питания, благодаря взаимодействию со внешней системой контроля температуры. Он обладает высокой степенью безопасности; в сочетании с изолирующими пленочными материалами он эффективно предотвращает утечку тока и риски перегрева.
3. Применение гибких нагревателей в ключевых сценариях новых энергетических технологий
3.1 Термическое управление силовыми батареями автомобилей на новых источниках энергии
Транспортные средства на новых источниках энергии являются крупнейшим рынком применения гибких нагревателей, на долю которых в 2023 году пришлось 37% спроса. Использование гибких нагревателей в транспортных средствах на новых источниках энергии в 4,3 раза превышает их применение в традиционных автомобилях с топливными двигателями. Их основная функция заключается в решении проблемы ухудшения характеристик аккумуляторов при низких температурах: для этого нагревательные элементы крепятся к поверхности батареи, повышая её температуру и продлевая срок службы, а также увеличивая запас хода.
В конкретных приложениях разные типы нагревателей имеют свои особенности: нагревательные листы PI благодаря своим тонким и легким характеристикам подходят для аккумуляторных модулей с компактным пространством; такие автопроизводители, как BMW и Volvo, уже внедрили сверхтонкие мембраны для подогрева сидений на основе материалов из углеродных нанотрубок (толщиной менее 0,15 мм и временем теплового отклика 5 секунд). Графеновые нагревательные мембраны благодаря своей эффективной теплоотдаче стали предпочтительным выбором для автомобилей с высоковольтной платформой на 800 В, а в сочетании с интеллектуальной системой контроля температуры позволяют снизить энергопотребление на предварительный прогрев батареи на 17%. Нагревательные листы PTC выполняют основную функцию обогрева в системе поддержания постоянной температуры аккумуляторного блока, обеспечивая надежность запуска при экстремально низких температурах до -30℃.
С точки зрения методов установки, комбинированная схема двусторонней установки на боковой и нижней поверхностях позволяет эффективно снизить среднюю температуру нагревательного листа и повысить безопасность. Эта схема уже стала стандартной конфигурацией для ведущих автопроизводителей. Ожидается, что к 2025 году спрос на гибкие нагревательные мембраны для силовых аккумуляторов превысит 420 миллионов штук, увеличившись на 280% по сравнению с 2022 годом.
3.2 Защита от низких температур и гарантия производительности для аккумуляторов хранения энергии
В области хранения энергии гибкие нагреватели в основном используются для изоляции аккумуляторов в наружных шкафах для хранения энергии и бытовых системах хранения энергии. Устройства наружного хранения энергии сталкиваются с такими проблемами, как большие перепады температур днем и ночью, а также изменениями влажности окружающей среды. Гибкие нагревательные листы на основе силикона благодаря своей высокой устойчивости к погодным условиям и отличной водонепроницаемости стали основным выбором в данной ситуации, эффективно предотвращая снижение емкости аккумуляторов из-за низких температур.
В крупномасштабных станциях хранения энергии графеновые композитные нагревательные мембраны могут обеспечивать синхронный нагрев нескольких аккумуляторных ячеек, предотвращая перепады температур, вызывающие различия в процессах зарядки и разрядки, и продлевая общий срок службы батарейного блока. Данные показывают, что в условиях -10℃ коэффициент сохранения емкости у аккумуляторов для хранения энергии, оснащенных гибкими системами отопления, может увеличиться с 65%, при отсутствии подогрева, до 92%, а ресурс циклов зарядки-разрядки может быть продлен более чем на 40%.
3.3 Повышение долговечности аккумуляторов для портативных устройств на новых источниках энергии
В умных носимых устройствах и портативных зарядных устройствах гибкие нагреватели обеспечивают эффективность работы аккумуляторов благодаря точному контролю температуры. Нагревательные листы из ПИ, благодаря своим небольшим размерам и легкому весу, широко используются в модулях изоляции аккумуляторов умных часов; в 2023 году глобальные поставки гибких нагревательных модулей для умных часов достигли 58 миллионов штук, а доля высококлассной продукции составила 83%.
В области медицинских носимых устройств, таких как умные нагревающиеся носки для ухода за диабетической стопой, гибкие нагреватели не только обеспечивают изоляцию встроенной батареи, но и напрямую осуществляют тепловую терапию. Годовой объём поставок подобной продукции в 2023 году превысил 12 миллионов пар, что в 3,1 раза больше по сравнению с 2020 годом. Эти устройства предъявляют чрезвычайно высокие требования к точности нагрева. Некоторые изделия достигли точности контроля температуры ±0,2℃, а в сочетании с биосовместимыми материалами они соответствуют медицинским стандартам безопасности.
4. Основные преимущества гибких нагревателей по сравнению с традиционными технологиями отопления
По сравнению с традиционными металлическими трубчатыми нагревателями, резистивными проволочными нагревателями и т.д., гибкие нагреватели демонстрируют всесторонние преимущества в сценариях использования новых источников энергии. В частности, они характеризуются:
Высокая адаптивность к пространству: толщину гибких нагревателей можно контролировать на уровне от микронов до миллиметров, а их вес составляет всего 1/5–1/3 от веса традиционных нагревателей. Они способны соответствовать сложным структурам, таким как поверхности и зазоры аккумуляторов, а в условиях ограниченного пространства, например, в аккумуляторных батареях, коэффициент использования пространства может быть увеличен более чем на 60%.
Отличная эффективность нагрева: при использовании плоского метода нагрева равномерность распределения тепла может достигать ±2℃, а по сравнению с точечным нагревом потери тепла снижаются на 30%. Продукты из графена обладают тепловой эффективностью преобразования более 95%, что намного превышает уровень традиционного резистивного нагрева, составляющий 70%.
Надежная безопасность: многослойная изоляционная структура в сочетании с технологией саморегулирования температуры PTC позволяет достичь двойной защиты. Продукция автомобильного класса может служить более 150 000 часов, обладая изоляционной прочностью свыше 5000 В, что исключает риск утечки.
Высокая интеллектуальная управляемость: они могут интегрировать слой температурного датчика для обеспечения измерения температуры в реальном времени, а в сочетании с AI-алгоритмами динамического контроля температуры способны автоматически регулировать мощность нагрева в зависимости от состояния батареи. Некоторые высококлассные продукты уже обладают функциями самовосстановления, используя микрокапсулированные термочувствительные материалы для автоматической ликвидации локальных повреждений, при этом цикл изгибания сохраняет работоспособность до 100 000 раз.
Значительная экономия энергии: саморегулирующаяся характеристика технологии PTC позволяет избежать потерь энергии, а в сочетании с системой рекуперации энергии потребление энергии на предварительный нагрев батареи может быть снижено на 17–30 %. По сравнению с традиционными решениями для обогрева, выбросы углерода за весь жизненный цикл могут быть уменьшены более чем на 25 %.
5. Тенденции технологического развития и перспективы на будущее
Технологическая эволюция гибких нагревателей в области аккумуляторов и новых источников энергии предполагает три основных направления: инновации в материалах, интеллектуальное усовершенствование и комплексное развитие. Что касается материалов, технология атомно-слоевого осаждения (ALD) постепенно начинает применяться в коммерческих целях. Благодаря созданию чередующейся структуры из оксида алюминия / нитрида бора на гибкой подложке колебания теплового сопротивления можно удерживать в пределах 3%, что дополнительно повышает термическую стабильность. Массовое производство самовосстанавливающихся токопроводящих материалов позволит продлить срок службы продукции более чем в два раза по сравнению с традиционными моделями.
На уровне интеллектуальной модернизации начали применяться системы контроля температуры, основанные на архитектурах облачных вычислений, которые способны динамически корректировать стратегии нагрева с учётом таких факторов, как SOC батареи (остаточная ёмкость) и температура окружающей среды, обеспечивая точный контроль энергопотребления. Ожидается, что исследования и разработки систем беспроводного питания для нагрева позволят решить проблемы проводки, особенно подходя для небольших носимых устройств на новых источниках энергии.
Интегрированная разработка стала важным трендом. Компании BOE и Shenzhen Tianma представили интегрированные сенсорно-нагревательные модули, объединяющие функцию нагрева с защитными оболочками аккумуляторов, корпусами устройств и другими конструкционными элементами, что позволило снизить системные затраты более чем на 20%. В таких развивающихся областях, как самолеты eVTOL, спрос на легкие, устойчивые к высоким температурам гибкие нагревательные компоненты значительно вырос. Ожидается, что совокупный темп роста этого сегмента рынка с 2025 по 2030 год достигнет 58%.
Однако отрасль по-прежнему сталкивается с проблемой недостаточной стандартизации. Уровень стандартизации интерфейсов батарейных модулей различных брендов составляет менее 42%, что приводит к увеличению затрат на адаптацию нагревательных пленок на 25–40%. В будущем необходимо установить межотраслевые технические стандарты, чтобы способствовать эффективной адаптации гибких нагревателей и оборудования для новых источников энергии.
6. Заключение
Гибкие нагреватели, являясь ключевой вспомогательной технологией в индустрии новых источников энергии, благодаря своему разнообразию материалов, адаптивности применения и превосходным эксплуатационным характеристикам глубоко интегрировались в такие основные сценарии, как термическое управление аккумуляторами, защита оборудования для хранения энергии и портативные устройства на основе новых источников энергии, став ключевым средством повышения производительности батарей и обеспечения их эксплуатационной безопасности. От зрелого применения ПИ-нагревательных листов до технологического прорыва графеновых нагревательных мембран, а затем до интеллектуальной модернизации PTC-нагревателей — различные гибкие нагреватели отвечают разнообразным потребностям, обладая своими дифференцированными преимуществами.
Благодаря непрерывным инновациям в области материалов и постоянному повышению уровня интеллекта, гибкие нагреватели будут играть всё более значительную роль в отрасли новых энергетических технологий. Они не только помогают решать практические проблемы, такие как низкий температурный диапазон и безопасная эксплуатация, но и оказывают мощную поддержку диверсифицированному развитию новых энергетических технологий, ускоряя глобальный процесс энергетической трансформации.