Gestione termica delle batterie per progetto: come i materiali avanzati stanno consentendo la nascita della prossima generazione di batterie per veicoli elettrici

Sponsorizzato da H.B. Fuller

Con lo sviluppo dei veicoli elettrici, la progettazione delle batterie sta subendo una trasformazione fondamentale.

I produttori automobilistici sono sotto pressione per offrire una maggiore autonomia, tempi di ricarica più rapidi, costi inferiori, maggiore sicurezza e pratiche di produzione più sostenibili, tutto all’interno dello stesso sistema batterico. Per raggiungere tali obiettivi sono necessari progressi che vanno oltre i semplici miglioramenti nella chimica delle celle. Sempre più spesso, l’innovazione proviene dall’architettura delle batterie e dai materiali che rendono possibili tali architetture.

Il passaggio dai tradizionali design cella-a-modulo a configurazioni cella-a-pacco e cella-al-chassis illustra perfettamente questa tendenza. Questi design di batterie di nuova generazione massimizzano la densità energetica e riducono il peso, ma introducono anche nuove sfide per quanto riguarda l’integrità strutturale, la gestione termica e la protezione contro le fughe termiche. La risoluzione di tali sfide ha elevato gli adesivi avanzati, i sigillanti e le schiume ignifughe da materiali ausiliari a elementi fondamentali per il raggiungimento delle prestazioni ottimali.

L’evoluzione del design delle batterie per veicoli elettrici

Per molti anni, le batterie dei veicoli elettrici hanno seguito un’architettura cella-a-modulo. Le singole celle venivano assemblate in moduli, i quali a loro volta venivano integrati in un pacco batterie montato all’interno del veicolo.

Questo approccio presentava diversi vantaggi, in particolare la possibilità di riparazione. I moduli difettosi potevano essere sostituiti senza smontare l’intero sistema di batterie, contribuendo a ridurre i tempi di inattività del veicolo. Tuttavia, le custodie dei moduli aumentano il peso, occupano spazio prezioso e incrementano la complessità di produzione.

Per migliorare l’efficienza e l’autonomia, i produttori hanno sempre più adottato design che collegano direttamente le celle tra loro. Eliminando le custodie dei moduli e integrando le celle direttamente nel pacco, i sistemi di batterie diventano più leggeri e possono contenere più materiale attivo nello stesso spazio. Il risultato è una maggiore densità energetica e un’autonomia più lunga.

Il passo successivo in questa evoluzione è la progettazione da cella a telaio, in cui le celle batteria diventano un componente strutturale integrato del veicolo. Questa architettura riduce ulteriormente il peso e la complessità di produzione, massimizzando al contempo l’utilizzo dello spazio. Tuttavia, impone anche requisiti più elevati ai materiali che tengono insieme la batteria.

Man mano che le strutture delle batterie diventano sempre più integrate, i materiali devono svolgere contemporaneamente molteplici funzioni: fornire supporto strutturale, gestire i carichi termici, isolare i componenti elettrici e contribuire a mantenere la sicurezza in condizioni estreme.

Perché la gestione termica è diventata un imperativo progettuale

Una maggiore densità energetica offre chiari vantaggi per le prestazioni del veicolo, ma crea anche una significativa sfida termica.

Man mano che le cellule vengono disposte più vicine tra loro e la domanda di energia aumenta, si genera più calore durante la carica e il funzionamento. Un calore eccessivo può accelerare il degrado della batteria, ridurne l’efficienza e aumentare il rischio di fenomeni di deriva termica. Mantenere temperature operative stabili non è più soltanto una questione ingegneristica: rappresenta un requisito fondamentale per le prestazioni, l’affidabilità e la sicurezza delle batterie.

Questa realtà sta stimolando la necessità di nuove strategie di gestione termica e materiali in grado di trasferire il calore in modo efficiente, proteggere i componenti sensibili e contenere eventuali guasti. Si prevede sempre di più che adesivi e materiali di incapsulamento contribuiscano a questa funzione mantenendo al contempo le prestazioni strutturali.

Il ruolo sempre più importante delle schiume ignifughe

Tra i materiali che vedono una crescente adozione vi sono le schiume strutturali antifiamma.

Inizialmente considerate principalmente come materiali per la sicurezza, queste schiume svolgono ora un ruolo molto più ampio nella progettazione delle batterie. Aiutano i produttori a raggiungere obiettivi di riduzione del peso sostituendo supporti meccanici più pesanti e componenti in plastica, fornendo al contempo un rinforzo strutturale in tutta la struttura della batteria.

Nelle architetture batteriche avanzate, le schiume antifiamma possono svolgere molteplici funzioni:

Ridurre la propagazione del fenomeno di runaway termico tra le celle

Ridurre il peso della batteria

Fornire supporto strutturale

Migliorare la resistenza alle vibrazioni

Migliorare l’isolamento termico e l’uniformità della temperatura

Semplificare i processi di produzione delle batterie

Per i produttori di componenti originali che cercano configurazioni cella-a-pack o cella-chassis, questi vantaggi diventano particolarmente preziosi. Permettendo la rimozione dei componenti meccanici mantenendo intatta l’integrità della batteria, le schiume strutturali aiutano a raggiungere una maggiore densità energetica senza compromettere la sicurezza.

Oltre alla conformità: l’importanza della protezione contro la deriva termica

Per i progettisti di batterie, la mitigazione della deriva termica è diventata uno dei criteri più importanti nella selezione dei materiali per le batterie.

Man mano che i sistemi di batteria diventano più densi in termini energetici, è essenziale contenere gli eventi termici all’interno di una singola cella. Le schiume ignifughe ad alte prestazioni sono progettate appositamente per rallentare o prevenire la propagazione del calore, garantendo che un evento localizzato non si diffonda in tutto il pacco batterie.

Gli standard di prestazioni in termini di infiammabilità, come l’UL94, forniscono indicatori importanti per valutare l’efficacia dei materiali. Ottenere una classificazione V-0 dimostra la capacità di un materiale di spegnersi rapidamente da solo e di ridurre al minimo la propagazione delle fiamme, conferendo ai produttori di batterie maggiore fiducia nella sicurezza complessiva del sistema.

Man mano che regolatori, produttori di automobili e consumatori danno sempre più importanza alla sicurezza delle batterie, i materiali che contribuiscono attivamente alla protezione termica stanno diventando un fattore distintivo competitivo, piuttosto che semplicemente un requisito di conformità.

Progettare batterie per il futuro

Il futuro dell’elettrificazione va ben oltre i veicoli a passeggeri.

I sistemi di accumulo energetico a batteria (BESS), le flotte di trasporto commerciale, i macchinari per uso non stradale, i camion pesanti e le nuove applicazioni nell’aviazione elettrica affrontano tutti sfide simili: trovare un equilibrio tra prestazioni, sicurezza, peso e durata. Sebbene ogni applicazione abbia requisiti unici, tutte traggono vantaggio da materiali in grado di garantire prestazioni strutturali ottimali, sostenendo al contempo la gestione termica e la protezione antincendio.

Con lo sviluppo continuo delle tecnologie batteriche, i produttori avranno sempre più bisogno di partner che comprendano non solo i materiali, ma anche il modo in cui questi interagiscono all’interno di un sistema batterico integrato. Una collaborazione precoce tra progettisti di batterie ed esperti di materiali può aiutare a ottimizzare i progetti, accelerare i tempi di sviluppo e evitare costose difficoltà produttive in fasi successive del processo.

Un approccio incentrato sui materiali all’innovazione nei veicoli elettrici

La prossima generazione di prestazioni delle auto elettriche non sarà definita soltanto dalle celle batteria.

Verrà plasmata dall’efficacia con cui i produttori integrano materiali avanzati nei design delle batterie, rendendole più leggere, sicure, termicamente efficienti e più facili da produrre su larga scala. Dalle adesive strutturali e dai materiali per interfacce termiche alle schiume ignifughe e alle barriere alla propagazione del calore, l’innovazione nei materiali sta diventando un fattore chiave per l’innovazione delle batterie.

Man mano che il settore accelera verso sistemi batteria ad alte prestazioni, la gestione termica integrata nel design non è più opzionale: è una condizione indispensabile per il futuro dell’elettrificazione.

Nem tutte le schiume (e i fornitori di schiume) sono uguali

La schiuma antifiamma da scegliere per le batterie BESS, eVTOL o EV dipende dalle proprie esigenze. La scelta del fornitore di schiume, invece, dipende dall’esperienza, dalle prestazioni del prodotto e dal supporto offerto. H.B. Fuller mette a disposizione una vasta gamma di schiume antifiamma per clienti in Europa, Asia e Stati Uniti.

H.B. Fuller EV Protect 4006: Schiuma semistrutturale che riduce il peso della batteria, ne previene la propagazione termica e offre resistenza al rumore, alle vibrazioni e all’usura.

H.B. Fuller EV Protect 5008: Schiuma strutturale con supporto potenziato. Progettata per parti e componenti utilizzati in batterie ed EV.

H.B. Fuller EV Protect 5009: schiuma strutturale ad alta resistenza che consente ai produttori di ridurre o sostituire i componenti strutturali tradizionali. Ideale per progettazioni che collegano le celle alle sospensioni del veicolo.

H.B. Fuller collabora con produttori di batterie, OEM e integratori di sistemi in tutto il mondo per sviluppare soluzioni adesive, sigillanti, per la gestione termica e antincendio per applicazioni di mobilità elettrica e storage energetico di nuova generazione.

Scopri di più su hbfuller.com/electric-vehicles.

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