Una estrategia integral basada en cintas PSA para la prevención y mitigación de la fuga térmica en baterías.
Por Max VanRaaphorst, Avery Dennison.
La transición hacia la electrificación ha incrementado la demanda de baterías de alto rendimiento, lo que a su vez ha acelerado la necesidad de soluciones escalables para la gestión térmica. Esto es especialmente cierto dado que la industria busca mayor densidad y una carga más rápida, factores que intensifican los efectos de fallos como la fuga térmica.
Encontrar e implementar soluciones térmicas representa un desafío importante en ingeniería. Los paquetes de baterías modernos son densos y complejos. Los materiales adicionales deben ser eficaces, ligeros y fáciles de integrar en los procesos de producción. Las cintas adhesivas sensibles a la presión (PSA) duraderas y versátiles, como las fabricadas por Avery Dennison Performance Tapes, se están convirtiendo en el material preferido.
Introducción a las cintas PSA
Las cintas PSA tienen un largo historial de éxito en muchas industrias. Se eligen para diversas aplicaciones gracias a su versatilidad, durabilidad, bajo peso, delgadez y capacidad de escalado. Su curado instantáneo permite una aplicación rápida a través de líneas de ensamblaje manuales o automatizadas.
La base de una cinta PSA es el adhesivo, el cual puede diseñarse con formulaciones específicas para ofrecer propiedades únicas en términos de resistencia y durabilidad. Estos adhesivos están concebidos para soportar condiciones extremas, como el calor, los productos químicos y la fuerza mecánica.
Las cintas también son personalizables y pueden brindar múltiples beneficios. Por ejemplo, una cinta puede ser laminada sobre una lámina de mica para crear una barrera contra las llamas, o sobre una película dieléctrica para funcionar como aislante eléctrico. Además, estas cintas pueden ser estampadas y cortadas con matrices para adaptarse a los requisitos de diseño de cualquier batería.
Los ingenieros de baterías han ideado numerosas aplicaciones para las cintas PSA. Entre ellas se incluyen sistemas de conexión de celdas, revestimiento, sistema de ventilación, acolchado de compresión, aislamiento eléctrico, sellado con juntas, unión, sellado hermético y organización de cables. Cada vez más, la aplicación más importante de estas cintas es la gestión térmica.
Desafíos clave en la gestión térmica
Para diseñar de manera efectiva en términos de seguridad y longevidad, los ingenieros deben superar tres desafíos fundamentales relacionados con la gestión térmica. Aunque no son exhaustivos, están estrechamente vinculados con la eficacia, durabilidad y seguridad de las baterías.
1. Fomentar el flujo de calor al tiempo que se mantiene la resistencia dieléctrica
El calor necesita un camino de baja resistencia desde las celdas hasta los componentes de enfriamiento (por ejemplo, placas frías o aletas de refrigeración). Sin embargo, estos caminos deben aislar eléctricamente simultáneamente las celdas de alta tensión para evitar arcos eléctricos e incendios.
La transferencia de calor está regida por la ley de conducción térmica de Fourier: Q = k * A * T/X. La resistencia térmica conductiva (Rth) es directamente proporcional al espesor (X). Es esencial minimizar el espesor manteniendo la conductividad térmica (k) para maximizar la tasa de transferencia de calor (Q).
Equilibrar la conductividad térmica con el rendimiento dieléctrico es un desafío clásico en la ingeniería de materiales, ya que las propiedades que mejoran la conductividad suelen entrar en conflicto con aquellas necesarias para el aislamiento eléctrico. Los ingenieros requieren materiales de gestión térmica que optimicen ambas características sin sacrificar la posibilidad de su fabricación.
2. Aislar las celdas durante una fuga térmica
Los paquetes de baterías modernos ofrecen poco espacio para barreras físicas o espacios de aire entre las celdas. Esto dificulta el aislamiento de una celda dañada. Los ingenieros necesitan materiales delgados que puedan ralentizar o evitar la transferencia de calor el tiempo suficiente para que los sistemas de seguridad respondan, minimizando así la probabilidad de una catástrofe a nivel del paquete. Materiales como la mica son excelentes aislantes, pero suelen ser frágiles y difíciles de integrar en procesos de ensamblaje automatizado.
3. Gestionar los gases y llamas expulsados
Cuando una celda falla, la presión interna aumenta, lo que obliga a que los gases calientes, las llamas y las partículas salgan al exterior. Si esto no se controla, otras celdas pueden verse afectadas y generar niveles de presión peligrosos dentro del conjunto. Los ingenieros necesitan barreras resistentes a las llamas que permitan una liberación controlada de presión, al tiempo que reducen la probabilidad de que un fallo en una sola celda se convierta en un evento catastrófico.
Una estrategia de tres partes para la prevención y mitigación
Los ingenieros requieren una estrategia térmica integral que mejore la transferencia de calor, aísle los componentes, contenga los eventos descontrolados y gestione la ventilación.
1. Mejorar la transferencia de calor manteniendo el aislamiento eléctrico
La línea de productos adhesivos Avery Dennison Volt Tough™ ofrece una solución gracias a su portador de película dieléctrica y adhesivo acrílico adecuado para unir celdas, módulos y componentes de refrigeración.
Los recubrimientos en polvo dieléctricos termoestables suelen requerir un espesor de 250 µm para garantizar una cobertura adecuada. Sin embargo, las cintas dieléctricas PSA con películas de PET o poliimida pueden alcanzar una tensión de ruptura equivalente o incluso superior con un espesor de solo 85 µm. Suponiendo una conductividad térmica comparable, la cinta de 85 µm permite una reducción del ~66% en la resistencia térmica conductiva en comparación con los recubrimientos. Esto permite que el calor se transfiera casi tres veces más rápido desde la carcasa de la batería al fluido refrigerante, suprimiendo efectivamente las temperaturas máximas de la batería durante la carga rápida.
2. Creación de barreras que mitigan la descontrol térmico
Las cintas PSA de baja conductividad térmica pueden laminar y encapsular materiales aislantes como la mica, el aerogel o el papel cerámico. Esto da como resultado una estructura robusta que ofrece un equilibrio superior entre aislamiento térmico y resistencia mecánica. Los adhesivos capaces de soportar temperaturas cercanas a los 500℃ durante breves periodos proporcionan una unión fiable.
Avery Dennison ofrece formulaciones especializadas de revestimiento de baja liberación que permiten utilizar estas cintas en procesos de ensamblaje automatizado a alta velocidad sin dañar los sustratos frágiles.
3. Gestión de los gases y llamas liberados durante la falla de las celdas
Las cintas de ventilación anisotrópicas de Avery Dennison ofrecen una solución elegante para gestionar las fallas de las celdas. Estas cintas se adhieren estratégicamente a los orificios de ventilación de las celdas. Gracias a un recubrimiento ignífugo, cada lado presenta diferentes propiedades de ruptura al estar expuesto a la llama. Durante un evento térmico, la cinta se rompe para permitir que los gases y las llamas escapen al canal de ventilación, evitando al mismo tiempo que esos mismos gases afecten a las celdas cercanas.
Efecto termodinámico: químicas NMC vs. LFP
El rendimiento de la cinta debe estar en consonancia con los modos de fallo termodinámicos de la química de las celdas.
Níquel manganeso cobalto (NMC): Estos cátodos presentan una menor estabilidad térmica y provocan un desbordamiento térmico a temperaturas más bajas. En caso de fallo, el cátodo se descompone exotérmicamente, liberando oxígeno que alimenta la combustión, lo que lleva a temperaturas superficiales de 800-1050℃. Las estrategias de ventilación deben dar prioridad a la canalización de las llamas y a la desviación de las partículas. Cintas como la Avery Dennison ES 3505 se queman rápidamente para desviar los chorros de alta velocidad hacia las tuberías de escape. Las cintas híbridas de cerámica y goma, como la ES 3507, impiden que los fragmentos proyectados perforen las divisiones estructurales.
Fosfato de litio y hierro (LFP): Los cátodos LFP presentan fuertes enlaces covalentes, lo que les confiere una alta estabilidad térmica con un umbral de inicio entre 270 y 300 ℃. No liberan oxígeno, lo que genera temperaturas máximas más bajas (620-700 ℃). Sin embargo, estos fenómenos producen altas concentraciones de hidrógeno, que pueden acumularse y crear un riesgo de explosión. Las estrategias de ventilación deben centrarse en evacuar rápidamente los gases no quemados. Dado que los fenómenos relacionados con el LFP producen pocos residuos abrasivos, las válvulas de ruptura ligeras accionadas por presión son sumamente eficaces.
¿Por qué Avery Dennison?
Avery Dennison combina un amplio portafolio de productos PSA con un soporte en el que los fabricantes pueden confiar para desarrollar soluciones personalizadas de gestión térmica. Nuestro portafolio está diseñado para resolver los desafíos más comunes en el diseño de baterías, incluyendo la reducción de la inflamabilidad (UL® 94 V-0), el aumento de la resistencia dieléctrica y la optimización del ensamblaje.
También ofrecemos un soporte exhaustivo, que incluye acceso a instalaciones de pruebas y colaboración con expertos en la materia. Y como fabricante con sede en Estados Unidos y una fuerte presencia en todas las regiones del mundo, garantizamos el acceso a cadenas de suministro tanto nacionales como internacionales.
Resumen
La prevención y mitigación de la fuga térmica sigue siendo un desafío ingenieril crítico para el cual no existe una solución simple y única. El éxito requiere una estrategia multifacética que aborde la transferencia de calor, el aislamiento térmico y la gestión de los materiales que requieren ventilación. Las cintas PSA integradas con materiales funcionales deberían constituir la base de dicha estrategia.
Agradecemos la oportunidad de analizar sus desafíos en el diseño de baterías y explorar estrategias de gestión térmica mediante el uso de cintas PSA.
Para dar el siguiente paso, por favor contácteme directamente en max.vanraaphorst@averydennison.com. También puede visitar www.tapes.averydennison.com/evbattery para obtener más información.
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