Almohadillas de compresión para prolongar el rendimiento de la batería
Los investigadores de Saint-Gobain han desarrollado modelos predictivos para predecir con precisión el comportamiento mecánico de las almohadillas de compresión en los paquetes de baterías, escribe Nick Flaherty.
Las celdas de iones de litio presentan expansión y contracción durante los ciclos de carga y descarga, así como hinchazón irreversible debido al envejecimiento. Las almohadillas de compresión son componentes cruciales para garantizar el rendimiento a lo largo de la vida útil de los paquetes de baterías.
La función principal de una almohadilla de compresión es actuar como un cojín elástico entre las celdas y adaptarse a las fluctuaciones volumétricas aplicando una presión constante y optimizada. Al absorber la tensión generada por la expansión de las celdas y mantener la integridad estructural del módulo, las almohadillas de compresión reducen los mecanismos de degradación para maximizar la durabilidad y seguridad del sistema de baterías a lo largo de miles de ciclos.
Los investigadores han caracterizado las propiedades mecánicas fundamentales de los cojines elastoméricos bajo una variedad de condiciones, como diferentes velocidades y temperaturas de compresión, las cuales son directamente relevantes para aplicaciones reales en baterías. La resiliencia mecánica a largo plazo del cojín se mide evaluando su rendimiento durante miles de ciclos de carga-descarga a distintas temperaturas de operación, lo que confirma su capacidad para mantener una presión constante durante mucho tiempo.
El uso de modelado y simulación permite a los desarrolladores explorar virtualmente el espacio de diseño, acelerando así la creación de diseños optimizados para cojines de compresión en aplicaciones de baterías.
Al ayudar a mantener la presión adecuada sobre las celdas durante todo el funcionamiento, las almohadillas de compresión permiten una mejor retención de capacidad y una vida útil más larga de la batería. También ayudan a compensar el movimiento de las celdas, reduciendo al mismo tiempo las vibraciones y proporcionando aislamiento eléctrico dentro del módulo de la batería.
Para simular las condiciones del paquete de baterías, se realizan pruebas de fatiga cíclica en un amplio rango de temperaturas, desde temperaturas por debajo de cero hasta 60–70 °C. Una prueba de compresión cíclica a estrés constante con 3000 ciclos también simula la tensión operativa a largo plazo sobre el material.
“La investigación realizada en la última década ha demostrado que el nivel de presión aplicado a la celda afecta directamente su vida útil y la retención de su capacidad. Existe un rango óptimo de presión, por ejemplo, generalmente entre 20 y 40 kilopascales para las celdas de tipo bolsa, el cual maximiza el rendimiento y la longevidad. Si la presión es demasiado alta o demasiado baja, la batería puede degradarse mucho más rápido o incluso fallar prematuramente”, dijo Weilin Deng, ingeniero senior de investigación en Saint-Gobain.
El modelado es importante porque no existe una solución única, ya que los requisitos de las baterías varían según la química y el diseño de las celdas. Por ejemplo, las celdas prismáticas necesitan materiales moderadamente rígidos, mientras que las celdas de tipo bolsa suelen requerir almohadillas de compresión más blandas, y las baterías de estado sólido necesitan almohadillas de compresión muy rígidas.
La herramienta digital permite ajustar las propiedades de compresión de los materiales en consecuencia. Mediante datos de deflexión bajo fuerza de compresión, se evalúa el rendimiento en diferentes niveles de compresión —como el 20%, 50% y 70%— para satisfacer necesidades específicas de las aplicaciones, sin depender únicamente de pruebas de laboratorio.
La herramienta recomienda materiales adecuados y espesores óptimos, al tiempo que muestra las curvas correspondientes de esfuerzo-deformación. Por ejemplo, puede sugerir el uso de un material como PF150 con un espesor específico para cumplir con requisitos críticos de calidad definidos.
También admite diseños con múltiples materiales, combinando diferentes espumas para evaluar el comportamiento de compresión conjunto.
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