Una strategia completa basata su nastro PSA per la prevenzione e l’attenuazione del fenomeno di runaway termico nei pannelli batteria

A cura di Max VanRaaphorst, Avery Dennison.

La transizione verso l’elettrificazione ha aumentato la domanda di batterie ad alte prestazioni, il che a sua volta ha accelerato la necessità di soluzioni per la gestione termica scalabili. Ciò è particolarmente vero poiché l’industria punta a una maggiore densità e a tempi di carica più rapidi, fattori che amplificano gli effetti di guasti come la deriva termica.

Trovare e implementare soluzioni termiche rappresenta una significativa sfida ingegneristica. I moderni pacchetti di batterie sono compatti e complessi. I materiali aggiuntivi devono essere efficaci, leggeri ed easy da integrare nei processi di produzione. Le strisce adesive sensibili alla pressione (PSA) resistenti e versatili, come quelle prodotte da Avery Dennison Performance Tapes, stanno diventando il materiale preferito.

Una introduzione alle strisce PSA

Le strisce PSA hanno un lungo storico di successo in molti settori industriali. Vengono scelte per numerose applicazioni grazie alla loro versatilità, resistenza, leggerezza, sottigliezza e capacità di adattamento su larga scala. La loro polimerizzazione istantanea permette un’applicazione rapida tramite linee di assemblaggio manuali o automatizzate.

La base di una nastro PSA è l’adesivo, che può essere progettato con formulazioni specifiche per offrire caratteristiche uniche in termini di resistenza e durata. Questi adesivi sono progettati per resistere a condizioni estreme, come calore, sostanze chimiche e forze meccaniche.

I nastri sono inoltre personalizzabili e possono fornire numerosi vantaggi. Ad esempio, un nastro può essere laminato su una lamina di mica per creare una barriera antifiamma, oppure su un film dielettrico per creare un isolante elettrico. Inoltre, questi nastri possono essere stampati e tagliati secondo le specifiche di progetto di qualsiasi pacco batterie.

Gli ingegneri dei pacchi batterie hanno ideato numerose applicazioni per i nastri PSA. Tra queste rientrano i sistemi di connessione delle celle, l’avvolgimento, la ventilazione, i materiali di ammortizzazione per la compressione, l’isolamento elettrico, i giunti di tenuta, il collaggio, la sigillatura e la gestione dei cavi. Sempre più spesso, l’applicazione più importante dei nastri è la gestione termica.

Principali sfide nella gestione termica

Per progettare in modo efficace per la sicurezza e la durata, gli ingegneri devono superare tre sfide fondamentali legate alla gestione termica. Sebbene non siano esaustive, queste sono strettamente correlate all’efficacia, alla durata e alla sicurezza delle batterie.

1. Favorire il flusso di calore garantendo al contempo la resistenza dielettrica

Il calore necessita di un percorso a bassa resistenza dalle celle ai componenti di raffreddamento (ad esempio piastre fredde o alette di raffreddamento). Tuttavia, tali percorsi devono contemporaneamente isolare elettricamente le celle ad alta tensione per prevenire scintille ed incendi.

La trasferimento del calore è regolato dalla legge di conduzione termica di Fourier: Q = k * A * T/X. La resistenza termica conduttiva (Rth) è direttamente proporzionale allo spessore (X). Ridurre lo spessore mantenendo la conducibilità termica (k) è essenziale per massimizzare il tasso di trasferimento del calore (Q).

Equilibrare la conducibilità termica con le prestazioni dielettriche rappresenta una sfida classica nell’ingegneria dei materiali, poiché le proprietà che migliorano la conducibilità spesso entrano in conflitto con quelle necessarie per l’isolamento elettrico. Gli ingegneri hanno bisogno di materiali per la gestione termica in grado di ottimizzare entrambe le caratteristiche senza compromettere la fattibilità produttiva.

2. Isolamento delle celle durante il surriscaldamento

I moderni pannelli batteria offrono poco spazio per barriere fisiche o interstizi d’aria tra le celle. Ciò rende difficile isolare una cella danneggiata. Gli ingegneri necessitano di materiali sottili in grado di rallentare o impedire il trasferimento del calore per un tempo sufficiente affinché i sistemi di sicurezza possano intervenire, riducendo al minimo il rischio di catastrofi a livello del pannello. Materiali come la mica sono eccellenti isolanti, ma spesso sono fragili e difficili da integrare nell’assemblaggio automatizzato.

3. Gestione dei gas e delle fiamme espulse

Quando una cella si guasta, la pressione interna aumenta, costringendo gas caldi, fiamme e particelle a fuoriuscire. Se non si gestisce questa situazione, altre cellule possono essere compromesse, creando livelli di pressione pericolosi all’interno del pacco. Gli ingegneri hanno bisogno di barriere resistenti alle fiamme che permettano uno sfogo controllato della pressione, riducendo al contempo la probabilità che un guasto di una singola cella si trasformi in un evento catastrofico.

Una strategia in tre fasi per la prevenzione e l’attenuazione

Gli ingegneri necessitano di una strategia termica multidimensionale che migliori il trasferimento del calore, isoli i componenti, controlli eventuali fenomeni fuori controllo e gestisca il processo di sfogo.

1. Migliorare il trasferimento del calore mantenendo l’isolamento elettrico

La linea di prodotti adesivi Avery Dennison Volt Tough™ offre una soluzione grazie a un supporto in film dielettrico e ad un adesivo acrilico adatto per collegare cellule, moduli e componenti di raffreddamento.

I rivestimenti in polvere dielettrica termoindurenti richiedono solitamente uno spessore di 250 µm per garantire una copertura completa. Tuttavia, le strisce dielettriche PSA con film in PET o poliimide riescono a raggiungere una tensione di rottura equivalente o superiore con uno spessore di soli 85 µm. Presumendo una conducibilità termica comparabile, la striscia di 85 µm riduce della circa il 66% la resistenza termica conduttiva rispetto ai rivestimenti tradizionali. Ciò permette al calore di trasferirsi quasi tre volte più velocemente dal guscio della batteria al fluido di raffreddamento, riducendo efficacemente le temperature massime durante la ricarica rapida.

2. Creazione di barriere per ridurre il rischio di deriva termica

I nastri PSA a bassa conducibilità termica possono laminare ed incapsulare materiali isolanti come la mica, l’aerogel o la carta ceramica. Ciò consente di ottenere una struttura robusta che garantisce un ottimo equilibrio tra isolamento termico e resistenza meccanica. Gli adesivi in grado di resistere a temperature vicine ai 500℃ per brevi periodi assicurano un legame affidabile.

Avery Dennison offre formulazioni speciali di rivestimento a bassa liberazione che permettono l’uso di questi nastri in processi di assemblaggio automatizzato ad alta velocità, senza danneggiare i substrati fragili.

3. Gestione dei gas e delle fiamme durante il guasto della cella

Le strisce di ventilazione anisotrope Avery Dennison offrono una soluzione elegante per gestire i guasti delle celle. Queste strisce vengono applicate strategicamente sui porti di ventilazione delle celle. Grazie a un rivestimento antifiamma, ciascun lato presenta proprietà diverse di rottura quando esposto alla fiamma. Durante un evento termico, la striscia si rompe per permettere ai gas e alle fiamme di fuoriuscire nel canale di ventilazione, impedendo al contempo a tali gas di influenzare le celle vicine.

Impatto termodinamico: chimie NMC vs. LFP

Le prestazioni della striscia devono essere in linea con i modi di guasto termodinamici della chimica delle celle.

Nickel manganese cobalt (NMC): Questi catodi presentano una minore stabilità termica e provocano un runaway termico a temperature più basse. In caso di guasto, il catodo si decompone in modo esotermico, rilasciando ossigeno che favorisce la combustione, portando a temperature superficiali comprese tra 800 e 1050℃. Le strategie di ventilazione devono dare priorità alla direzionalizzazione delle fiamme e alla deviazione delle particelle. Nastri come l’Avery Dennison ES 3505 si bruciano rapidamente per deviare i getti ad alta velocità verso i condotti di scarico. I nastri ibridi in ceramica e gomma, come l’ES 3507, impediscono che i materiali espulsi perforino le barriere strutturali.

Fosfato di litio e ferro (LFP): I catodi LFP presentano forti legami covalenti, che garantiscono un’elevata stabilità termica con una soglia di inizio intorno a 270-300℃. Non rilasciano ossigeno, il che porta a temperature di picco più basse (620-700℃). Tuttavia, tali reazioni producono alte concentrazioni di idrogeno, che possono accumularsi e creare un rischio di esplosione. Le strategie di ventilazione devono concentrarsi sull’espulsione rapida dei gas non bruciati. Poiché le reazioni LFP producono pochissimi materiali abrasivi, le valvole di sicurezza leggere azionate a pressione sono estremamente efficaci.

Perché Avery Dennison?

Avery Dennison unisce una vasta gamma di prodotti PSA a un supporto su cui i produttori possono contare per sviluppare soluzioni personalizzate di gestione termica. La nostra gamma è progettata per affrontare le sfide più comuni nella progettazione delle batterie, tra cui ridurre la combustibilità (UL® 94 V-0), potenziare la resistenza dielettrica e ottimizzare l’assemblaggio.

Forniamo inoltre un supporto approfondito, che include l’accesso a strutture di test e la collaborazione con esperti del settore. Essendo un produttore con sede negli Stati Uniti e una forte presenza in tutte le regioni globali, garantiamo l’accesso sia alle catene di approvvigionamento nazionali che internazionali.

Riepilogo

La prevenzione e l’attenuazione del fenomeno di deriva termica rappresenta ancora una sfida ingegneristica cruciale, senza soluzioni semplici e univoche. Il successo richiede una strategia multidimensionale che affronti il trasferimento del calore, l’isolamento termico e la gestione dei materiali utilizzati per le valvole di sfogo. Le strisce PSA integrate con materiali funzionali dovrebbero costituire la base di tale strategia.

Siamo lieti di poter discutere delle vostre sfide nella progettazione delle batterie e di esplorare strategie per la gestione termica utilizzando strisce PSA.

Per procedere, contattatemi direttamente all’indirizzo max.vanraaphorst@averydennison.com. Potete anche visitare il sito www.tapes.averydennison.com/evbattery per ulteriori informazioni.

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