随着新能源汽车向高能量密度、长续航里程和快速充电方向发展，动力电池的热管理已成为制约行业发展的关键技术瓶颈。传统的液冷、风冷系统因结构复杂、能耗高且存在泄漏风险，难以满足下一代电池包的散热需求。在此背景下，基于多层石墨纸（Multi-layer Graphite Paper, MLGP）的复合散热方案凭借其超高热导率、轻量化特性及工艺兼容性，正成为行业主流解决方案。本文将从材料特性、散热机理、工程化应用及未来趋势四个维度，深入剖析这一技术方向。

一、多层石墨纸的物理特性与散热机制

多层石墨纸由高纯度膨胀石墨经压延、复合工艺制成，其核心优势源于石墨晶体结构的各向异性导热特性。单层石墨纸的面内热导率可达1500-2000 W/(m·K)，远超铜（约400 W/(m·K)）和铝（约237 W/(m·K)），而厚度方向热导率则控制在5-10 W/(m·K)。这种特性使其在电池包中能够实现高效的横向热扩散，同时限制纵向热传递，避免热量向电池包外壳过度积聚。

通过堆叠不同孔隙率、厚度的石墨纸层（通常为3-5层），可构建梯度导热路径。例如：

接触层（0.05mm）：采用高密度石墨纸（孔隙率<5%），直接贴合电芯表面，确保界面接触热阻低于0.1 K·cm²/W；

扩散层（0.1-0.2mm）：中孔隙率（10%-15%）石墨纸，加速热量横向传导至边缘区域；

缓冲层（0.3mm）：低密度石墨纸（孔隙率>20%），兼具储热与应力缓冲功能。

实验数据表明，采用三明治结构的多层石墨纸系统，可使电池模组内部温差从传统液冷方案的8-10℃降至3℃以内（数据来源：宁德时代2024年技术白皮书）。

二、工程化应用案例与性能优势

1. 特斯拉4680电池包的热失控抑制

特斯拉在Cybertruck电池包中引入5层石墨纸+硅胶界面材料的复合方案，取代了30%的液冷管路。通过有限元仿真与实测验证，该设计在10C快充工况下，电芯最高温度从65℃降至52℃，且热失控传播时间延长至30分钟以上（行业标准为≥15分钟）。

2. 宁德时代麒麟电池的轻量化突破

宁德时代在第三代CTP（Cell to Pack）技术中，将多层石墨纸与相变材料（PCM）结合，使电池包质量能量密度提升至255 Wh/kg，较传统方案减重12%。其关键在于：

使用超薄石墨纸（总厚度0.5mm）替代铝制均热板；

通过激光微孔技术（孔径50-100μm）增强石墨纸与PCM的界面结合力。

3. 比亚迪刀片电池的低温适应性改进

比亚迪在低温版刀片电池中，采用掺入碳纳米管（CNT）的改性石墨纸（热导率提升至2200 W/(m·K)），使得-30℃环境下电池有效放电容量提高至常规设计的85%（原为72%）。

三、产业化挑战与创新方向

尽管多层石墨纸技术优势显著，但大规模应用仍面临以下瓶颈：

长期可靠性问题：石墨纸在循环热应力下易发生层间剥离，导致接触热阻上升。目前解决方案包括：

开发聚酰亚胺（PI）基粘接剂，耐温等级提升至300℃；

采用磁控溅射工艺在石墨表面沉积纳米氧化铝涂层（厚度<100nm），降低界面磨损率。

成本控制压力：高纯度膨胀石墨（≥99.95%）占材料成本的60%。行业正探索：

生物质碳源替代：如棕榈壳炭化制备石墨前驱体（成本降低40%）；

连续化压延工艺：东丽化学开发的辊压-烧结一体化设备，使生产效率提升3倍。

回收技术滞后：废弃石墨纸因含有机粘接剂，难以直接再生。英国EcoGraf公司开发的超临界CO₂剥离技术，可实现99%石墨回收率，但处理成本高达1200美元/吨。

四、未来趋势：从材料创新到系统集成

材料复合化：将石墨纸与气凝胶、金属纳米线等材料复合，开发兼具隔热与导热功能的智能材料。例如，美国NASA正在测试的石墨纸/二氧化硅气凝胶夹层结构，可在2000℃极端环境下维持电池包完整性。

结构设计智能化：基于数字孪生技术优化石墨纸层数、厚度及排布方式。宝马集团与ANSYS合作开发的AI设计平台，可将散热方案迭代周期从6个月缩短至2周。

政策驱动标准化：欧盟拟于2025年推出《车用石墨散热材料技术规范》，强制要求电池包散热系统碳排放强度≤5kg CO₂/kWh（现为8-10kg CO₂/kWh），倒逼企业采用石墨纸等低碳材料。

        多层石墨纸在新能源汽车电池包散热中的应用，标志着石墨材料从传统工业领域向高端制造的跨越式升级。随着材料改性技术、智能制造工艺及循环经济模式的持续突破，这一技术有望在2030年前覆盖全球80%以上的新能源汽车电池包，成为推动行业碳中和目标的核心引擎。未来，如何平衡性能、成本与可持续性，将是产学研各界共同攻关的焦点。