Avances en adhesivos térmicos: mejora del rendimiento entre las celdas de batería y el paquete, así como entre las celdas y la cinta, en vehículos eléctricos
Una clave para el avance de las baterías de iones de litio de alta densidad energética es la gestión eficaz del calor generado durante los ciclos de carga y descarga. El calor se gestiona a menudo conectando las celdas y/o módulos de la batería a una placa de enfriamiento o al conjunto mediante materiales conductores térmicos (rellenos de huecos o adhesivos). Por lo general, se trata de resinas poliméricas de dos componentes con rellenos cerámicos. Estos fomentan la conducción del calor al desplazar el aire no solo de las superficies microscópicas sino también de los grandes huecos.
La arquitectura de las baterías de los vehículos eléctricos (VE) está determinada por el formato de la celda: tipo bolsa, cilíndrico y prismático. El tipo de celda es la principal influencia en el diseño del módulo/conjunto y en las necesidades de materiales para la gestión térmica.
Las celdas de tipo bolsa y cilíndrico suelen construirse en módulos, y estos módulos se conectan entre sí para formar el paquete. Las celdas de tipo bolsa requieren este tipo de construcción debido a su falta de rigidez estructural, mientras que las celdas cilíndricas lo necesitan por la gran cantidad de unidades (>1000). Anteriormente, las celdas prismáticas se manejaban de la misma manera, pero con la aparición de la arquitectura celda-a-paquete/placa, ya no es necesario utilizar módulos.
En general, las pilas de celdas de tipo bolsa se forman en módulos de tres maneras, normalmente utilizando un adhesivo térmico o un relleno de espacios, y luego se enfrían en condiciones ambientales o se ponen en contacto con un sistema de enfriamiento:
Insertadas en una carcasa sin adhesivos ni sistema de gestión térmica
Insertadas en una carcasa con adhesivos térmicos
Apiladas con un disipador de calor de aluminio entre cada celda, con o sin material térmico
Los diseños de módulos de celdas cilíndricas se dividen en tres categorías antes de ser insertados en el paquete y conectados al circuito de enfriamiento:
Se insertan en soportes de plástico mediante ajuste por interferencia o adhesivos estructurales
Se unen por los lados a una cinta de enfriamiento con adhesivos térmicos
Se fijan en una matriz y luego los fondos de las celdas se unen a una carcasa o placa de enfriamiento usando un adhesivo térmico
Las celdas prismáticas se utilizan para formar módulos o paquetes (los módulos se insertan en el paquete), generalmente con adhesivos térmicos o rellenos de juntas:
Los módulos se forman agrupando las celdas en una pila y luego ya sea insertándolas en una carcasa de módulo o sobre una placa de enfriamiento, utilizando adhesivos térmicos o rellenos de juntas
Los paquetes se forman directamente uniendo celdas de gran formato (~1 m de longitud) directamente a la placa inferior usando adhesivos térmicos o rellenos de juntas
Oportunidades y desafíos
Existen muchas oportunidades y desafíos en el diseño y la fabricación para cada formato.
Los desafíos de las celdas en forma de bolsa incluyen:
Baja rigidez estructural, lo que requiere un revestimiento adicional
Uso de películas de polietileno con baja energía superficial como capa más externa de la bolsa de aluminio, lo cual limita la resistencia final de las estructuras basadas en adhesivos
Área superficial limitada para la disipación de calor cuando se apilan sin disipadores térmicos (es decir, enfriamiento por los bordes)
Los desafíos de las celdas cilíndricas incluyen:
Tamaño más pequeño de las celdas, lo que requiere muchas celdas para lograr el alcance del vehículo
Alto número de celdas que exige una colocación precisa para garantizar un posicionamiento adecuado en los procesos posteriores
Requisitos significativos de fijación mecánica
Superficies de acero chapado en níquel que pueden ser difíciles de unir
Una celda puede seguir funcionando si no se utilizan mangas de plástico PVC
Los desafíos de las celdas prismáticas incluyen:
Un área superficial individual mayor en comparación con las celdas cilíndricas o de tipo bolsa, lo que genera problemas de tolerancia tanto para la celda como para la placa o paquete de enfriamiento.
El uso de películas o cintas con baja energía superficial para protección dieléctrica, lo cual limita la resistencia final de las estructuras compuestas por adhesivos.
Una mayor necesidad de flexibilidad debido a las áreas más extensas, lo que conlleva una mayor tolerancia en el ensamblaje y mayores esfuerzos por expansión térmica.
Muchos de estos desafíos pueden mitigarse mediante el uso de rellenos para espacios térmicos o adhesivos térmicos.
Las primeras aplicaciones de baterías para vehículos eléctricos dependían de un pequeño número de formulaciones altamente especializadas. Hoy en día, los sistemas de baterías de vehículos eléctricos se benefician de una gama más amplia de materiales conductores térmicos que, aunque siguen siendo diseñados específicamente para las necesidades de las baterías, ofrecen una mayor variedad de opciones en términos de rendimiento y procesamiento.
En Parker Lord, la distinción entre rellenos de huecos y adhesivos se basa en su resistencia. Los rellenos de huecos suelen presentar una resistencia al cizallamiento inferior a 7 MPa (1015 psi), mientras que los adhesivos generalmente superan con creces este umbral.
Adhesivos térmicos formulados para la fabricación de baterías de vehículos eléctricos
Durante los últimos 50 años se han utilizado adhesivos estructurales acrílicos de dos componentes para unir paneles automotrices. Su capacidad para adherirse directamente a diversos metales y acabados, junto con su curado a temperatura ambiente, ha reducido drásticamente la cantidad de fijaciones mecánicas y/o soldaduras necesarias. De manera similar, durante los últimos 60 años se han empleado materiales aislantes y de encapsulamiento conductores térmicamente de dos componentes para proteger los componentes electrónicos y disipar el calor.
Como líderes en ambas categorías, los científicos de Parker Lord lograron combinar estas dos tecnologías para crear una nueva clase de adhesivos: adhesivos estructurales conductores térmicamente.
El adhesivo estructural conductor de calor CoolTherm TC-2002 de Parker Lord fue el primer producto comercial en esta categoría. Su alta resistencia y conductividad térmica, sumadas a la capacidad de unir acero niquelado con aluminio recubierto en polvo y de curarse a temperatura ambiente con un tiempo de secado relativamente corto, permitieron una mayor libertad de diseño para los módulos de baterías cilíndricas.
A medida que se comercializan nuevos diseños de celda a paquete y de celda a placa en los sistemas de propulsión de vehículos eléctricos, el papel de los adhesivos térmicos se ha vuelto cada vez más crucial. Existe una creciente necesidad de adhesivos térmicos innovadores que unan eficazmente las celdas de batería a los componentes del paquete, al mismo tiempo que abordan los desafíos relacionados con el rendimiento y la fabricación.
Las principales mejoras en los adhesivos térmicos de acrílico y uretano incluyen:
Fuerza de unión adaptable para diseños estructurales o de paquetes reutilizables
Aumento de la elongación para una mayor durabilidad
Velocidades de curado adaptadas
Métodos para facilitar la fabricación a gran escala.
La última novedad de Parker Lord es el adhesivo acrílico conductor térmico CoolTherm TC-850, que aprovecha las capacidades del CoolTherm TC-2002. Gracias a las recientes innovaciones en adhesivos estructurales, se logra una elongación cuatro veces mayor, así como una mejor adhesión a plásticos y recubrimientos.
Una observación sobre la línea de unión: en general, los adhesivos ofrecen mayores niveles de resistencia con líneas de unión más delgadas. Una línea de unión estándar es de 250 µm, pero cuando es crucial reducir la resistencia térmica, las líneas de unión más delgadas son siempre mejores. Para estos productos, se determinó que 100 µm es el espesor ideal. Este grosor permite una resistencia suficiente al fallo, reduce el uso de material y disminuye la conductividad térmica necesaria.
Véase a continuación una ilustración que demuestra que un material con 0,5 W/m∙K y una línea de unión de 100 µm logra una resistencia térmica menor en comparación con un material de 1 W/m∙K y una línea de unión de 250 µm.
Conclusión
En conclusión, elegir un adhesivo térmico que se ajuste a diseños y necesidades específicas de las celdas en el paquete proporcionará a los diseñadores de baterías y a los ingenieros de materiales los conocimientos necesarios para optimizar el rendimiento, la fiabilidad y la rentabilidad del paquete.
Parker Lord cuenta con una amplia experiencia y conocimientos para ayudarlo en el diseño de baterías para vehículos eléctricos. Si desea ponerse en contacto con uno de sus ingenieros de aplicaciones para comenzar, hágalo hoy mismo.
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