Pad di compressione per migliorare le prestazioni della batteria
Gli investigatori di Saint-Gobain hanno sviluppato modelli predittivi per prevedere con precisione il comportamento meccanico delle guarnizioni di compressione presenti nei pannelli batteria, scrive Nick Flaherty.
Le celle a ioni di litio presentano espansione e contrazione durante i cicli di carica e scarica, nonché un gonfiamento irreversibile a causa dell’invecchiamento. Le guarnizioni di compressione sono componenti fondamentali per garantire le prestazioni dei pannelli batteria nel corso del loro ciclo di vita.
I ricercatori hanno caratterizzato le proprietà meccaniche fondamentali dei cuscinetti elastomerici in diverse condizioni, come diverse velocità di compressione e temperature, aspetti direttamente rilevanti per applicazioni reali alle batterie. La resilienza meccanica a lungo termine del cuscinetto viene misurata valutandone le prestazioni in migliaia di cicli di carica–scarica a diverse temperature operative, confermando così la sua capacità di mantenere una pressione costante nel tempo.
L’uso di modellazione e simulazione permette ai progettisti di esplorare virtualmente lo spazio di progettazione, accelerando lo sviluppo di soluzioni ottimizzate per i cuscinetti di compressione destinati a applicazioni nei pacchi batteria.
Sostituendo la giusta pressione sulle celle durante tutto il funzionamento, i cuscinetti di compressione favoriscono una migliore conservazione della capacità e una maggiore durata della batteria. Aiutano inoltre ad assorbire i movimenti delle celle, riducendo le vibrazioni e garantendo un isolamento elettrico all’interno del modulo batteria.
Per simulare le condizioni presenti nel pacco batterie, vengono effettuati test di fatica ciclica in un ampio intervallo di temperature, che vanno da temperature sotto lo zero fino a 60–70 °C. Un test di compressione ciclica a deformazione costante per 3000 cicli simula inoltre lo stress operativo a lungo termine sul materiale.
“Le ricerche dell’ultimo decennio hanno dimostrato che il livello di pressione applicata alla cella influisce direttamente sulla sua durata e sulla conservazione della capacità. Esiste un intervallo di pressione ottimale, ad esempio tipicamente tra 20 e 40 kilopascal per le cella a sacchetto, che massimizza prestazioni e longevità. Se la pressione è troppo elevata o troppo bassa, la batteria può degradarsi molto più rapidamente o addirittura guastarsi prematuramente,” ha affermato Weilin Deng, ingegnere senior di ricerca presso Saint-Gobain.
La modellizzazione è importante perché non esiste una soluzione unica, poiché i requisiti delle batterie variano in base alla chimica e al design della cella. Ad esempio, le cella prismatiche necessitano di materiali moderatamente rigidi, mentre le cella a sacchetto richiedono solitamente cuscinetti di compressione più morbidi, e le batterie a stato solido necessitano di cuscinetti di compressione molto rigidi.
Lo strumento digitale permette di regolare le proprietà di compressione dei materiali in modo appropriato. Utilizzando i dati relativi alla deflessione sotto carico di compressione, si valuta le prestazioni a diversi livelli di compressione – come il 20%, il 50% e il 70% – per soddisfare esigenze specifiche delle applicazioni, senza fare affidamento esclusivamente su test in laboratorio.
L’strumento consiglia materiali adatti e spessori ottimali, visualizzando al contempo le relative curve di stress-strain. Ad esempio, può suggerire l’uso di un materiale come il PF150 a uno spessore specifico per rispettare requisiti critici legati alla qualità.
Sostiene inoltre la progettazione con più materiali, combinando diverse schiume per valutare il comportamento complessivo di compressione.
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