Progressi negli adesivi termici: miglioramento delle prestazioni tra le celle batteria e il contenitore nonché tra le celle e la striscia per i veicoli elettrici

Un elemento chiave per lo sviluppo di batterie a ioni di litio ad alta densità energetica è una gestione efficace del calore generato durante i cicli di carica e scarica. Il calore viene spesso gestito collegando le celle batteria e/o i moduli a una piastra di raffreddamento o al sistema di raffreddamento tramite materiali conduttori termici (materiali riempitivi per gli spazi o adesivi). Di solito si tratta di resine polimeriche a due componenti contenenti filler ceramici, che favoriscono la conduzione del calore eliminando l’aria non solo dalle superfici microscopiche ma anche dagli spazi più ampi.

L’architettura delle batterie per veicoli elettrici è determinata dalle dimensioni delle celle: di tipo sacca, cilindrica o prismatica. Il tipo di cella influisce in modo determinante sulla progettazione dei moduli/batterie e sulle esigenze riguardanti i materiali per la gestione termica.

Le celle a sacchetto e quelle cilindriche vengono solitamente assemblate in moduli, i quali a loro volta sono collegati tra loro all’interno del pacco. Le celle a sacchetto richiedono questo tipo di costruzione a causa della loro mancanza di rigidità strutturale, mentre le celle cilindriche ne hanno bisogno a causa del elevato numero di unità (>1000). In passato, anche le celle prismatiche venivano trattate nello stesso modo, ma con l’avvento dell’architettura “cella-pacco/placca” non è più necessario utilizzare moduli.

In generale, gli stack di celle a sacchetto vengono formati in moduli in tre modi: solitamente utilizzando un adesivo termico o un riempitivo per gli spazi vuoti, per poi essere raffreddati in condizioni ambientali o messi a contatto con un sistema di raffreddamento:

Inserite in una custodia senza adesivi né sistemi di gestione termica

Inserite in una custodia con adesivi termici

Impilate con uno spreader in alluminio tra ciascuna cella, con o senza materiale termico

I moduli a celle cilindriche si dividono in tre categorie prima di essere inseriti nel pacco e collegati al circuito di raffreddamento:

Inseriti in supporti in plastica tramite serraggio interferenziale o adesivi strutturali

Fissati sui lati a una striscia di raffreddamento con adesivi termici

Disposti in un array e successivamente i fondi delle celle vengono uniti a un contenitore o a una piastra di raffreddamento utilizzando adesivi termici

Le celle prismatiche vengono utilizzate per formare moduli o pacchi (i moduli vengono inseriti nel pacco), tipicamente con l’ausilio di adesivi termici o materiali riempitivi per gli spazi:

I moduli vengono creati raggruppando le celle in uno strato e successivamente inseriti in un contenitore dedicato o su una piastra di raffreddamento, utilizzando adesivi termici o materiali riempitivi

I pacchi vengono formati direttamente unendo le celle di grandi dimensioni (~1 m di lunghezza) alla piastra inferiore con adesivi termici o materiali riempitivi per gli spazi

Oportunità e sfide

Per ogni formato esistono molte opportunità e sfide legate alla progettazione e alla produzione.

Le sfide delle celle a sacchetto includono:

Bassa rigidità strutturale, che richiede un involucro aggiuntivo

Uso di film in polietilene a bassa energia superficiale come strato esterno del sacchetto in alluminio, il che limita la resistenza complessiva delle strutture basate su adesivi

Area superficiale ridotta per la dissipazione del calore quando le celle sono impilate senza diffusori termici (ovvero raffreddamento ai bordi)

Le sfide delle celle cilindriche includono:

Dimensioni ridotte delle celle, che richiedono un gran numero di esse per ottenere l’autonomia del veicolo

Elevato numero di celle che richiede una posizionazione precisa per garantire un corretto inserimento nei processi successivi

Necessità di soluzioni meccaniche complesse per la fissazione

Superfici in acciaio rivestite di nichel che possono risultare difficili da incollare

Una cella può funzionare anche in assenza di maniche protettive in PVC

I problemi legati alle celle prismatiche includono:

Una superficie delle singole cellule più estesa rispetto a quella delle celle cilindriche o a sacco, il che provoca problemi di tolleranza sia per le cellule stesse che per la piastra o il pacchetto di raffreddamento

L’uso di film o nastro con bassa energia superficiale per la protezione dielettrica, il che limita la resistenza massima delle strutture realizzate con adesivi

Una maggiore necessità di flessibilità a causa delle aree più grandi, che comporta una maggiore tolleranza durante l’assemblaggio e uno stress più elevato a causa dell’espansione termica

Molti di questi problemi possono essere mitigati utilizzando riempitivi per gli spazi termici o adesivi termici.

Nelle prime applicazioni dei pannelli batteria per veicoli elettrici si faceva affidamento su un numero ridotto di formulazioni altamente specializzate. Oggi, i sistemi batteria per veicoli elettrici beneficiano di una gamma più ampia di materiali conduttori termici, progettati comunque specificamente per le esigenze dei pannelli batteria, ma che offrono una maggiore varietà di opzioni in termini di prestazioni e processi di lavorazione.

In Parker Lord, la distinzione tra riempitivi per fessure e adesivi si basa sulla resistenza meccanica. I riempitivi per fessure presentano solitamente una resistenza al taglio inferiore a 7 MPa (1015 psi), mentre gli adesivi sono generalmente ben al di sopra di questo valore.

Adesivi termici formulati per la produzione di batterie per veicoli elettrici

In qualità di leader del settore in entrambe le categorie, gli scienziati di Parker Lord sono riusciti a combinare queste due tecnologie, creando una nuova categoria di adesivi: gli adesivi strutturali termicamente conduttivi.

L’adesivo strutturale termicamente conduttivo CoolTherm TC-2002 di Parker Lord è stato il primo prodotto commerciale in questa categoria. La sua elevata resistenza meccanica e conducibilità termica, unitamente alla capacità di unire acciaio nichelato ad alluminio con rivestimento in polvere e di indurirsi a temperatura ambiente in tempi relativamente brevi, hanno permesso una notevole flessibilità progettuale per i moduli batteria cilindrici.

Con la commercializzazione di nuovi design per il collegamento tra le celle e i componenti del pacco, nonché tra le celle e le piastre nei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici, il ruolo degli adesivi termici è diventato sempre più cruciale. Esiste una crescente necessità di adesivi termici innovativi in grado di unire efficacemente le celle batteria ai componenti del pacco, affrontando al contempo le sfide legate alle prestazioni e alla produzione.

I principali miglioramenti negli adesivi termici in acrilico e uretano includono:

Resistenza di legame personalizzabile per design strutturali o modificabili.

Aumento dell’allungamento per una maggiore durata

Velocità di indurimento ottimizzate

Metodi per facilitare la produzione su larga scala.

L’ultima novità di Parker Lord è il collante acrilico conduttivo termico CoolTherm TC-850, che si basa sulle caratteristiche del CoolTherm TC-2002. Grazie alle recenti innovazioni nei collanti strutturali, è stato possibile ottenere un allungamento quattro volte maggiore, nonché una migliore adesione ai plastici e ai rivestimenti.

Una nota riguardo alla linea di giunzione: in generale, gli adesivi offrono livelli di resistenza più elevati con linee di giunzione più sottili. Una linea di giunzione standard è di 250 µm, ma quando è fondamentale ridurre la resistenza termica, linee di giunzione più sottili sono sempre migliori. Per questi prodotti, 100 µm è stato ritenuto l’ideale. Questa spessore garantisce una sufficiente resistenza alla rottura, riduce l’uso di materiale e abbassa la conducibilità termica necessaria.

Di seguito è riportata un’illustrazione che dimostra come una conducibilità termica di 0,5 W/m∙K con una linea di giunzione di 100 µm fornisca una resistenza termica inferiore rispetto a un materiale con conducibilità di 1 W/m∙K e linea di giunzione di 250 µm.

Riassunto

In conclusione, la scelta di un adesivo termico in linea con specifici progetti e requisiti tra cellule e pannelli batteria fornirà ai progettisti di pannelli batteria e agli ingegneri dei materiali le conoscenze necessarie per ottimizzare prestazioni, affidabilità ed economicità del prodotto.

Parker Lord dispone di una vasta esperienza e competenze per supportarvi nella progettazione delle batterie per veicoli elettrici. Se desiderate mettervi in contatto con uno dei loro ingegneri applicativi per iniziare, contattateli subito.

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