Une stratégie complète basée sur des bandes PSA pour la prévention et l’atténuation de la dérive thermique dans les packs de batteries

Par Max VanRaaphorst, Avery Dennison.

La transition vers l’électrification a augmenté la demande de batteries à haute performance, ce qui a à son tour accéléré le besoin de solutions de gestion thermique évolutives. Cela est d’autant plus vrai que l’industrie cherche à atteindre une densité plus élevée et des temps de charge plus rapides, facteurs qui amplifient les effets de défauts tels que la défaillance thermique.

La recherche et la mise en œuvre de solutions thermiques représentent un défi important en ingénierie. Les batteries modernes sont denses et complexes. Les matériaux ajoutés doivent être efficaces, légers et faciles à intégrer dans les processus de production. Les bandes adhésives sensibles à la pression (PSA) durables et polyvalentes, telles que celles fabriquées par Avery Dennison Performance Tapes, deviennent de plus en plus un matériau de prédilection.

Présentation des bandes PSA

Les bandes PSA ont une longue histoire de succès dans de nombreux secteurs industriels. Elles sont choisies pour de nombreuses applications en raison de leur polyvalence, de leur durabilité, de leur légèreté, de leur finesse et de leur capacité d’adaptation. Leur durcissement instantané permet une application rapide, que ce soit sur des lignes de montage manuelles ou automatisées.

La base d’une bande PSA est l’adhésif, qui peut être conçu avec des formulations spécifiques pour offrir des caractéristiques uniques en termes de résistance et de durabilité. Ces adhésifs sont conçus pour résister à des facteurs de stress difficiles, tels que la chaleur, les produits chimiques et les forces mécaniques.

Les bandes sont également personnalisables et peuvent apporter de multiples avantages. Par exemple, une bande peut être laminée sur une feuille de mica pour créer une barrière contre les flammes, ou sur un film diélectrique pour former un isolant électrique. De plus, ces bandes peuvent être estampées et découpées selon les exigences de conception de n’importe quel pack batterie.

Les ingénieurs en packs batteries ont imaginé de nombreuses applications pour les bandes PSA. Celles-ci incluent les systèmes de connexion des cellules, l’enveloppement, la ventilation, le rembourrage de compression, l’isolation électrique, les joints, le collage, la fermeture hermétique et la gestion des fils. De plus en plus, l’application la plus cruciale des bandes concerne la gestion thermique.

Principaux défis en matière de gestion thermique

Afin de concevoir des systèmes sûrs et durables, les ingénieurs doivent surmonter trois défis fondamentaux liés à la gestion thermique. Bien que cette liste ne soit pas exhaustive, ces défis sont étroitement liés à l’efficacité, à la durabilité et à la sécurité des batteries.

1. Favoriser le flux de chaleur tout en assurant la résistance diélectrique

La chaleur a besoin d’un chemin à faible résistance pour passer des cellules vers les composants de refroidissement (par exemple, des plaques froides ou des ailettes de refroidissement). Cependant, ces chemins doivent simultanément isoler électriquement les cellules haute tension afin d’éviter les arcs électriques et les incendies.

Le transfert de chaleur est régi par la loi de conduction thermique de Fourier : Q = k * A * T/X. La résistance thermique conductive (Rth) est directement proportionnelle à l’épaisseur (X). Il est essentiel de minimiser l’épaisseur tout en maintenant la conductivité thermique (k) afin d’optimiser le taux de transfert de chaleur (Q).

Équilibrer la conductivité thermique et les propriétés diélectriques constitue un défi classique en génie des matériaux, car les propriétés qui améliorent la conductivité entrent souvent en conflit avec celles nécessaires à l’isolation électrique. Les ingénieurs ont besoin de matériaux de gestion thermique capables d’optimiser ces deux caractéristiques sans compromettre leur fabriquabilité.

2. Isoler les cellules en cas de dérapage thermique

Les batteries modernes offrent très peu d’espace pour des barrières physiques ou des interstices d’air entre les cellules. Cela rend difficile l’isolation d’une cellule endommagée. Les ingénieurs ont besoin de matériaux fins capables de ralentir ou d’empêcher le transfert de chaleur suffisamment longtemps pour que les systèmes de sécurité puissent intervenir, réduisant ainsi le risque d’une catastrophe au niveau de la batterie. Des matériaux tels que la mica sont d’excellents isolants. Cependant, ils sont souvent fragiles et difficiles à intégrer dans des processus de montage automatisés.

3. Gérer les gaz et les flammes évacués

Lorsqu’une cellule tombe en panne, la pression interne augmente, ce qui force les gaz chauds, les flammes et les particules à s’échapper. Si cela n’est pas géré, d’autres cellules peuvent être endommagées, ce qui crée des niveaux de pression dangereux à l’intérieur du pack. Les ingénieurs ont besoin de barrières résistantes aux flammes qui permettent une décompression contrôlée tout en réduisant les risques qu’une panne d’une seule cellule se transforme en un événement catastrophique.

Une stratégie en trois volets pour la prévention et l’atténuation

Les ingénieurs ont besoin d’une stratégie thermique multidimensionnelle qui améliore le transfert de chaleur, isole les composants, contient les événements dérapants et gère l’évacuation des gaz.

1. Améliorer le transfert de chaleur tout en maintenant l’isolation électrique

La gamme de produits adhésifs Avery Dennison Volt Tough™ propose une solution grâce à son support en film diélectrique et à son adhésif acrylique adapté au collage entre cellules, modules et composants de refroidissement.

Les revêtements en poudre diélectriques thermosétants nécessitent généralement une épaisseur de 250 µm pour assurer une couverture complète. Cependant, les bandes PSA diélectriques dotées de films en PET ou en polyimide peuvent atteindre une tension de rupture équivalente ou supérieure avec une épaisseur de seulement 85 µm. En supposant une conductivité thermique comparable, ces bandes permettent une réduction d’environ 66 % de la résistance thermique conductrice par rapport aux revêtements. Cela permet au chaud de se transférer presque trois fois plus rapidement depuis la coque de la batterie vers le fluide de refroidissement, ce qui limite efficacement les températures maximales de la batterie lors du chargement rapide.

2. Création de barrières pour atténuer la dérive thermique

Les bandes PSA à faible conductivité thermique permettent de laminer et d’encapsuler des matériaux isolants tels que la mica, l’aérogel ou le papier céramique. Cela donne naissance à une structure robuste offrant un équilibre optimal entre isolation thermique et résistance mécanique. Des adhésifs capables de résister à des températures approchant 500 °C pendant de courtes durées assurent un collage fiable.

Avery Dennison propose des formulations de revêtements spécialisés à faible libération qui permettent d’utiliser ces bandes dans des processus de montage automatisés à haute vitesse, sans endommager les substrats fragiles.

3. Gestion des gaz et des flammes évacués en cas de défaillance de la cellule

Les bandes de ventilation anisotropiques Avery Dennison offrent une solution élégante pour gérer les défaillances des cellules. Ces bandes sont collées de manière stratégique sur les orifices de ventilation des cellules. Grâce à un revêtement ignifuge, chaque face présente des propriétés de rupture différentes lorsqu’elle est exposée à la flamme. Lors d’un événement thermique, la bande se rompt afin de permettre aux gaz et aux flammes de s’échapper dans le canal de ventilation, tout en empêchant simultanément ces mêmes gaz d’affecter les cellules voisines.

Impact thermodynamique : chimies NMC vs. LFP

Les performances de la bande doivent être adaptées aux modes de défaillance thermodynamiques de la chimie de la cellule.

Nickel-manganèse-cobalt (NMC) : Ces cathodes présentent une stabilité thermique inférieure et provoquent un dérapage thermique à des températures plus basses. En cas de panne, le cathode se décompose de manière exothermique, libérant de l’oxygène qui favorise la combustion, ce qui entraîne des températures de surface comprises entre 800 et 1050 °C. Les stratégies de ventilation doivent donner la priorité à la canalisation des flammes et au déviation des particules. Des bandes telles que l’Avery Dennison ES 3505 brûlent rapidement afin de diriger les jets à haute vitesse vers les conduits d’échappement. Les bandes hybrides céramique-caoutchouc comme l’ES 3507 empêchent les éjectats de percer les cloisons structurelles.

Fosfate de fer et de lithium (LFP) : Les cathodes LFP présentent des liaisons covalentes fortes, ce qui leur confère une grande stabilité thermique avec un seuil de déclenchement compris entre 270 et 300 °C. Elles ne libèrent pas d’oxygène, ce qui entraîne des températures maximales plus basses (620-700 °C). Cependant, ces phénomènes génèrent de fortes concentrations d’hydrogène qui peuvent s’accumuler et créer un risque d’explosion. Les stratégies de ventilation doivent viser à évacuer rapidement les gaz non brûlés. Comme les phénomènes liés aux cathodes LFP produisent peu d’éjecta abrasifs, des vannes de décompression légères actionnées par pression sont particulièrement efficaces.

Pourquoi Avery Dennison ?

Avery Dennison allie un portefeuille étendu de produits PSA à un soutien fiable sur lequel les fabricants peuvent compter pour développer des solutions de gestion thermique sur mesure. Notre portefeuille a été conçu pour résoudre les défis les plus courants dans la conception des batteries, notamment en réduisant la inflammabilité (UL® 94 V-0), en améliorant la résistance diélectrique et en optimisant l’assemblage.

Nous offrons également un soutien approfondi, y compris l’accès à des installations de test et la collaboration avec des experts du domaine. En tant que fabricant basé aux États-Unis avec une forte présence dans toutes les régions mondiales, nous garantissons l’accès aux chaînes d’approvisionnement nationales et internationales.

Résumé

La prévention et l’atténuation de la dérive thermique restent un défi d’ingénierie majeur, sans solution simple et unique. Le succès exige une stratégie multidimensionnelle qui prenne en compte le transfert de chaleur, l’isolation thermique ainsi que la gestion des matériaux évacués. Les bandes PSA intégrées à des matériaux fonctionnels devraient constituer la base de cette stratégie.

Nous serions ravis d’échanger avec vous sur les défis liés à la conception de vos batteries et d’examiner des stratégies de gestion thermique utilisant des bandes PSA.

Pour passer à l’étape suivante, veuillez me contacter directement à l’adresse max.vanraaphorst@averydennison.com. Vous pouvez également visiter le site www.tapes.averydennison.com/evbattery pour en savoir plus.

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