Gestión térmica de las baterías por diseño: cómo los materiales avanzados están posibilitando la próxima generación de baterías para vehículos eléctricos
Patrocinado por H.B. Fuller
A medida que los vehículos eléctricos evolucionan, el diseño de las baterías está experimentando una transformación fundamental.
Las fabricantes de automóviles se encuentran bajo presión para ofrecer un mayor rango de conducción, una carga más rápida, costos más bajos, mayor seguridad y prácticas de fabricación más sostenibles, todo dentro del mismo sistema de baterías. Lograr esos objetivos requiere algo más que avances únicamente en la química de las celdas. Cada vez más, la innovación proviene de la arquitectura de las baterías y de los materiales que hacen posibles dichas arquitecturas.
El cambio de los diseños tradicionales de celda a módulo hacia configuraciones de celda a paquete y celda a chasis ilustra perfectamente esta tendencia. Estos diseños de baterías de próxima generación maximizan la densidad energética y reducen el peso, pero también plantean nuevos desafíos en cuanto a la integridad estructural, la gestión térmica y la protección contra fugas térmicas. La resolución de dichos desafíos ha elevado a los adhesivos avanzados, selladores y espumas ignífugas de materiales auxiliares a elementos cruciales para el rendimiento óptimo.
La evolución del diseño de baterías para vehículos eléctricos
Durante muchos años, las baterías de vehículos eléctricos siguieron una arquitectura de celda a módulo. Las celdas individuales se ensamblaban en módulos, y varios módulos se integraban posteriormente en un paquete de baterías montado dentro del vehículo.
Este enfoque ofrecía varias ventajas, especialmente la posibilidad de reparación. Los módulos defectuosos podían reemplazarse sin desmontar todo el sistema de baterías, lo que ayudaba a reducir el tiempo de inactividad del vehículo. Sin embargo, las carcasas de los módulos añaden peso, ocupan espacio valioso e incrementan la complejidad en su fabricación.
Para mejorar la eficiencia y el alcance, los fabricantes han adoptado cada vez más diseños de tipo celda-a-pack. Al eliminar las carcasas de los módulos e integrar directamente las celdas en el pack, los sistemas de baterías se vuelven más ligeros y pueden albergar más material activo en el mismo espacio. El resultado es una mayor densidad energética y un alcance de conducción más largo.
El siguiente paso en esta evolución es el diseño de celda a chasis, en el cual las celdas de batería se convierten en un componente estructural integrado del vehículo. Esta arquitectura reduce aún más el peso y la complejidad de fabricación, al tiempo que maximiza el uso del espacio. Sin embargo, también impone mayores exigencias a los materiales que mantienen unida la batería.
A medida que las estructuras de batería se vuelven más integradas, los materiales deben desempeñar múltiples funciones simultáneamente: proporcionar soporte estructural, gestionar las cargas térmicas, aislar los componentes eléctricos y ayudar a mantener la seguridad en condiciones extremas.
Por qué la gestión térmica se ha convertido en una necesidad en el diseño
Una mayor densidad energética ofrece claras ventajas para el rendimiento del vehículo, pero también plantea un desafío térmico significativo.
A medida que las celdas se agrupan más cerca unas de otras y aumenta la demanda de energía, se genera más calor durante la carga y el funcionamiento. El calor excesivo puede acelerar la degradación de la batería, reducir su eficiencia e incrementar el riesgo de eventos de descontrol térmico. Mantener temperaturas operativas estables ya no es solo una consideración de ingeniería; es un requisito fundamental para el rendimiento, la fiabilidad y la seguridad de las baterías.
Esta realidad está impulsando la demanda de nuevas estrategias y materiales de gestión térmica capaces de transferir el calor de manera eficiente, proteger los componentes sensibles y contener las fallas en caso de que ocurran. Cada vez se espera más que los adhesivos y los materiales de encapsulamiento contribuyan a esta función al mismo tiempo que mantienen el rendimiento estructural.
El papel creciente de las espumas retardantes de llama
Entre los materiales que están ganando cada vez más adopción se encuentran las espumas estructurales ignífugas.
Originalmente consideradas principalmente como materiales de seguridad, estas espumas ahora desempeñan un papel mucho más amplio en el diseño de baterías. Ayudan a los fabricantes a lograr objetivos de reducción de peso al reemplazar soportes mecánicos más pesados y componentes plásticos, al tiempo que proporcionan refuerzo estructural en toda la carcasa de la batería.
En arquitecturas avanzadas de baterías, las espumas ignífugas pueden cumplir múltiples funciones:
Atenuar la propagación del escape térmico entre celdas
Reducir el peso de la batería
Proporcionar soporte estructural
Mejorar la resistencia a las vibraciones
Mejorar el aislamiento térmico y la uniformidad de temperatura
Simplificar los procesos de fabricación de baterías
Para los fabricantes de equipos originales que buscan configuraciones de celda a paquete y celda a chasis, estas ventajas resultan especialmente valiosas. Al permitir la eliminación de componentes mecánicos manteniendo al mismo tiempo la integridad de la batería, las espumas estructurales ayudan a lograr una mayor densidad energética sin comprometer la seguridad.
Más allá de la conformidad: La importancia de la protección contra fugas térmicas
Para los diseñadores de baterías, la mitigación de las fugas térmicas se ha convertido en uno de los criterios más importantes al seleccionar materiales para baterías.
A medida que los sistemas de baterías adquieren mayor densidad energética, es esencial contener los eventos térmicos dentro de una sola celda. Las espumas ignífugas de alto rendimiento están diseñadas específicamente para ralentizar o prevenir la propagación térmica, lo que ayuda a garantizar que un evento localizado no se extienda por todo el paquete de baterías.
Los estándares de rendimiento en cuanto a inflamabilidad, como UL94, ofrecen referencias importantes para evaluar la eficacia de los materiales. Allograr una calificación V-0 demuestra la capacidad del material para extinguirse rápidamente por sí mismo y minimizar la propagación de las llamas, lo que brinda a los fabricantes de baterías mayor confianza en la seguridad general del sistema.
A medida que los reguladores, fabricantes de automóviles y consumidores otorgan mayor importancia a la seguridad de las baterías, los materiales que contribuyen activamente a la protección térmica se están convirtiendo en un diferenciador competitivo, más que simplemente en un requisito de cumplimiento.
Diseñando baterías para el futuro
El futuro de la electrificación trasciende con creces los vehículos de pasajeros.
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), las flotas de transporte comercial, el equipo para uso fuera de carreteras, los camiones pesados y las aplicaciones emergentes en aviación eléctrica se enfrentan a desafíos similares: equilibrar el rendimiento, la seguridad, el peso y la durabilidad. Aunque cada aplicación tiene requisitos únicos, todas se benefician de materiales que puedan ofrecer un rendimiento estructural al mismo tiempo que permiten la gestión térmica y la protección contra incendios.
A medida que las tecnologías de baterías siguen evolucionando, los fabricantes necesitarán cada vez más socios que comprendan no solo los materiales, sino también cómo estos interactúan dentro de un sistema de baterías integrado. Una colaboración temprana entre los diseñadores de baterías y los expertos en materiales puede ayudar a optimizar los diseños, acelerar los plazos de desarrollo y evitar costosos problemas de producción más adelante en el proceso.
Un enfoque centrado en los materiales para la innovación en vehículos eléctricos
La próxima generación de rendimiento en vehículos eléctricos no estará definida únicamente por las celdas de batería.
Estará determinada por la eficacia con la que los fabricantes integran materiales avanzados en diseños de baterías que sean más ligeros, seguros, térmicamente eficientes y fáciles de producir a gran escala. Desde adhesivos estructurales y materiales de interfaz térmica hasta espumas ignífugas y barreras contra la propagación del calor, la innovación en materiales se está convirtiendo en un factor clave para la innovación de las baterías.
A medida que la industria acelera hacia sistemas de baterías de mayor rendimiento, la gestión térmica desde el diseño ya no es opcional. Es un requisito previo para el futuro de la electrificación.
No todas las espumas (ni sus proveedores) son iguales
La espuma ignífuga que elija para sus baterías BESS, eVTOL o EV depende de sus necesidades. Y elegir a su proveedor de espumas depende de la experiencia, el rendimiento del producto y el soporte técnico. H.B. Fuller ofrece una amplia gama de espumas ignífugas a clientes en Europa, Asia y los Estados Unidos.
En los Estados Unidos, las espumas ignífugas incluyen:
H.B. Fuller EV Protect 4006: Espuma semiestructural que reduce el peso de la batería, protege contra la propagación térmica y ofrece resistencia al ruido, las vibraciones y las condiciones adversas.
H.B. Fuller EV Protect 5008: Espuma estructural con mayor soporte. Diseñada para piezas y componentes en baterías y vehículos eléctricos.
H.B. Fuller EV Protect 5009: Espuma estructural de alta calidad que permite a los fabricantes reducir o reemplazar los componentes estructurales tradicionales. Ideal para diseños de celda a chasis.
H.B. Fuller colabora con fabricantes de baterías, OEMs e integradores de sistemas en todo el mundo para desarrollar soluciones adhesivas, de sellado, de gestión térmica y retardantes de llama para aplicaciones de movilidad eléctrica y almacenamiento de energía de próxima generación.
Aprenda más en hbfuller.com/electric-vehicles.
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