Progrès dans les adhésifs thermiques : amélioration des performances entre les cellules de batterie et le boîtier, ainsi qu’entre les cellules et les bandes, pour les véhicules électriques

Un élément clé pour le développement de batteries au lithium-ion à haute densité énergétique réside dans une gestion efficace de la chaleur générée lors des cycles de charge et de décharge. La chaleur est souvent gérée en reliant les cellules et/ou modules de batterie à une plaque ou un ensemble de refroidissement au moyen de matériaux conducteurs thermiques (remplissages de joints ou adhésifs). Il s’agit généralement de résines polymères à deux composants contenant des remplissages en céramique, qui favorisent la conduction thermique en éliminant l’air non seulement des surfaces microscopiques mais aussi des grands espaces vides.

L’architecture des batteries pour véhicules électriques est déterminée par le format de la cellule : type poche, cylindrique ou prismatique. Le type de cellule est le principal facteur influençant la conception du module ou de l’ensemble de batteries ainsi que les besoins en matériaux pour la gestion thermique.

Les cellules en poche et cylindriques sont généralement assemblées en modules, qui sont ensuite reliés entre eux au sein du pack. Les cellules en poche nécessitent ce type de construction en raison de leur manque de rigidité structurelle, tandis que les cellules cylindriques en ont besoin en raison du grand nombre d’unités nécessaires (>1000). Auparavant, les cellules prismatiques étaient traitées de la même manière, mais avec l’apparition de l’architecture cellule-pack/plaque, les modules ne sont plus nécessaires.

Généralement, les piles de cellules en poche sont formées en modules de trois manières : soit à l’aide d’un adhésif thermique ou d’un matériau de remplissage des fentes, puis refroidies à température ambiante ou mises en contact avec un système de refroidissement ; soit insérées dans une boîte sans adhésifs ni système de gestion thermique ; soit insérées dans une boîte utilisant des adhésifs thermiques ; soit empilées avec un dissipateur de chaleur en aluminium entre chaque cellule, avec ou sans matériau thermique.

Les conceptions de modules à cellules cylindriques se répartissent en trois catégories avant d’être insérés dans le pack et connectés au circuit de refroidissement :

Insérés dans des supports en plastique au moyen d’un ajustement par interférence ou d’adhésifs structurels

Leur face latérale est collée à une bande de refroidissement à l’aide d’adhésifs thermiques

Ils sont fixés dans un réseau puis leurs fonds sont collés à un boîtier ou à une plaque de refroidissement à l’aide d’un adhésif thermique

Les cellules prismatiques sont utilisées pour former des modules ou des packs (les modules étant insérés dans le pack), généralement au moyen d’adhésifs thermiques ou de matières de comblement des fentes :

Les modules sont formés en regroupant les cellules en une pile, puis soit elles sont insérées dans un boîtier de module, soit sur une plaque de refroidissement, en utilisant à chaque fois des adhésifs thermiques ou des matières de comblement des fentes

Les packs sont directement formés en collant des cellules de grand format (environ 1 m de long) directement sur la plaque inférieure à l’aide d’adhésifs thermiques ou de matières de comblement des fentes

Opportunités et défis

Chaque format présente de nombreuses opportunités et défis en matière de conception et de fabrication.

Les défis liés aux cellules en poche comprennent :

Une rigidité structurelle minimale, nécessitant un boîtier supplémentaire

L’utilisation de films en polyéthylène à faible énergie de surface comme couche extérieure du sac en aluminium, ce qui limite la résistance finale des assemblages à base d’adhésif

Une surface de refroidissement insuffisante lorsqu’elles sont empilées sans dissipateurs thermiques (c’est-à-dire un refroidissement par les bords)

Les défis liés aux cellules cylindriques comprennent :

Une taille de cellule plus petite, obligeant à utiliser de nombreuses cellules pour atteindre l’autonomie du véhicule

Un grand nombre de cellules exigeant une positionnement précis afin d’assurer un emplacement correct pour les processus ultérieurs

Des exigences importantes en matière de fixation mécanique

Des surfaces en acier niquelé qui peuvent être difficiles à souder

Une cellule peut fonctionner même en l’absence de manchons en PVC

Les défis liés aux cellules prismatiques comprennent :

Une plus grande surface de la cellule individuelle par rapport aux cellules cylindriques ou en poche, ce qui entraîne des problèmes de tolérance tant pour la cellule que pour la plaque ou le pack de refroidissement

L’utilisation de films ou de bandes en film étirable à faible énergie de surface pour la protection diélectrique, ce qui limite la résistance ultime des assemblages à base d’adhésifs

Un besoin accru de flexibilité en raison des surfaces plus grandes, ce qui provoque davantage de problèmes de tolérance lors du montage et des contraintes accrues dues à l’expansion thermique

Beaucoup de ces défis peuvent être atténués en utilisant des remplissages de joints thermiques ou des adhésifs thermiques.

Dans un premier temps, les applications de batteries pour véhicules électriques reposaient sur un petit nombre de formulations hautement spécialisées. Aujourd’hui, les systèmes de batteries électriques bénéficient d’un portefeuille plus large de matériaux conducteurs thermiques, qui sont toujours conçus spécifiquement pour répondre aux exigences des batteries, mais offrent une gamme plus étendue de performances et d’options de traitement.

Au Parker Lord, la distinction entre remplissages de fentes et adhésifs se fait en fonction de leur résistance. Les remplissages de fentes présentent généralement des résistances à la cisaillement inférieures à 7 MPa (1015 psi), tandis que les adhésifs dépassent généralement largement ce seuil.

Adhésifs thermiques formulés pour la fabrication de batteries de véhicules électriques

Pendant les 50 dernières années, des adhésifs structurels acryliques à deux composants sont utilisés pour assembler les panneaux automobiles. Leur capacité à adhérer directement à divers métaux et finitions, ainsi que leur durcissement à température ambiante, ont considérablement réduit le besoin d’éléments de fixation mécanique et/ou de soudure. De même, des matériaux isolants et d’encapsulation à deux composants et conducteurs thermiquement sont utilisés depuis 60 ans pour protéger les composants électroniques et dissiper la chaleur.

En tant que leader du secteur dans ces deux domaines, les scientifiques de Parker Lord ont pu combiner ces deux technologies pour créer une nouvelle catégorie d’adhésifs : des adhésifs structurels conducteurs thermiquement.

L’adhésif structurel conducteur de chaleur CoolTherm TC-2002 de Parker Lord a été le premier produit commercial dans cette catégorie. Sa forte résistance et sa bonne conductivité thermique, associées à la capacité de souder de l’acier niquelé à de l’aluminium revêtu en poudre, ainsi qu’à un durcissement à température ambiante en un temps relativement court, ont permis une grande liberté de conception pour les modules de batteries cylindriques.

Avec la commercialisation de nouveaux designs de connexion entre les cellules et le boîtier, ainsi qu’entre les cellules et les plaques dans les systèmes de propulsion des véhicules électriques, le rôle des adhésifs thermiques est devenu de plus en plus crucial. Il existe un besoin croissant d’adhésifs thermiques innovants capables de souder efficacement les cellules de batterie aux composants du boîtier, tout en répondant aux défis liés à la performance et à la fabrication.

Les principales améliorations des adhésifs thermiques en acrylique et en uréthane comprennent :

Une résistance de liaison adaptable pour des designs structurels ou permettant des retouches.

Élongation accrue pour une durabilité améliorée

Vitesses de durcissement adaptées

Méthodes permettant une fabrication à grande échelle.

La dernière version proposée par Parker Lord est le colle acrylique conductrice de chaleur CoolTherm TC-850, qui s’appuie sur les capacités du CoolTherm TC-2002. Grâce aux innovations récentes dans le domaine des colles structurales, on obtient une élongation quatre fois supérieure, ainsi qu’une adhérence accrue aux plastiques et revêtements.

Une remarque concernant la ligne de jonction : en général, les adhésifs offrent des niveaux de résistance plus élevés avec des lignes de jonction plus fines. Une ligne de jonction standard est de 250 µm, mais lorsque la réduction de la résistance thermique est cruciale, des lignes de jonction plus fines sont toujours préférables. Pour ces produits, 100 µm s’est avéré être l’épaisseur idéale. Cette épaisseur permet d’obtenir une résistance suffisante à la rupture, réduit l’utilisation de matériau et diminue la conductivité thermique requise.

Voir ci-dessous une illustration montrant qu’un matériau de 0,5 W/m∙K avec une ligne de jonction de 100 µm présente une résistance thermique inférieure par rapport à un matériau de 1 W/m∙K avec une ligne de jonction de 250 µm.

En résumé

En conclusion, le choix d’un adhésif thermique adapté aux spécificités des conceptions et besoins des cellules dans les batteries permettra aux concepteurs de batteries et aux ingénieurs en matériaux d’optimiser les performances, la fiabilité et l’efficacité économique de ces dernières.

Parker Lord dispose d’une grande expertise pour vous aider dans la conception de batteries pour véhicules électriques. Si vous souhaitez entrer en contact avec l’un de leurs ingénieurs en applications pour commencer, prenez contact avec eux dès aujourd’hui.

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