Kompleksowa strategia oparta na taśmach PSA w celu zapobiegania i łagodzenia zjawiska ucieczki cieplnej w pakietach baterii

Autor: Max VanRaaphorst, Avery Dennison.

Przejście na zasilanie elektryczne zwiększyło popyt na baterie o wysokich osiągach, co z kolei przyspieszyło potrzebę skalowalnych rozwiązań do zarządzania ciepłem. Jest to szczególnie istotne, gdyż branża dąży do większej gęstości energii i szybszego ładowania, co pogłębia skutki awarii takich jak ucieczka ciepła.

Znalezienie i wdrożenie rozwiązań termicznych stanowi poważne wyzwanie inżynieryjne. Współczesne baterie są gęste i złożone. Dodawane materiały muszą być skuteczne, lekkie i łatwe do wdrożenia w procesy produkcyjne. Trwałe i uniwersalne taśmy klejące wrażliwe na ciśnienie (PSA), takie jak te produkowane przez Avery Dennison Performance Tapes, stają się preferowanym materiałem.

Wprowadzenie do taśm PSA

Taśmy PSA od dawna odnoszą sukcesy w wielu branżach. Są wybierane do różnorodnych zastosowań dzięki swojej uniwersalności, trwałości, lekkości, cienkości oraz możliwości skalowania. Ich natychmiastowe utwardzanie umożliwia szybkie zastosowanie na liniach montażowych ręcznych lub automatycznych.

Podstawą taśmy PSA jest klej, który można opracować przy użyciu specjalnych formuł, aby zapewnić unikalne właściwości pod względem wytrzymałości i trwałości. Kleje te są projektowane tak, aby wytrzymać trudne warunki, w tym wysoką temperaturę, chemikalia oraz siły mechaniczne.

Taśmy mogą być również dostosowywane indywidualnie i oferować liczne korzyści. Na przykład taśmę można złożyć z arkusza miki w celu stworzenia bariery przeciwpożarowej lub z folii dielektrycznej w celu stworzenia izolatora elektrycznego. Ponadto taśmy te można stemplować i ciąć, aby dostosować je do wymagań projektowych każdego zestawu baterii.

Inżynierowie zajmujący się zestawami baterii opracowali wiele zastosowań dla taśm PSA. Obejmują one systemy łączenia ogniw, owijanie, wentylację, wypełnienie kompresyjne, izolację elektryczną, uszczelnianie, spajanie, szczelienie oraz organizację przewodów. Coraz częściej najważniejszym zastosowaniem taśm jest zarządzanie ciepłem.

Główne wyzwania w zarządzaniu ciepłem

Aby skutecznie zaprojektować urządzenie z myślą o bezpieczeństwie i długowieczności, inżynierowie muszą przezwyciężyć trzy podstawowe wyzwania związane z zarządzaniem ciepłem. Chociaż nie są one wyczerpujące, mają bezpośredni wpływ na efektywność, trwałość i bezpieczeństwo baterii.

1. Zachęcanie do przepływu ciepła przy jednoczesnym zapewnieniu wytrzymałości dielektrycznej

Ciepło musi mieć ścieżkę o niskim oporze od elementów baterii do komponentów chłodzących (np. płyt chłodzących lub łopatek chłodzących). Jednak te ścieżki muszą jednocześnie izolować elektrycznie elementy o wysokim napięciu, aby zapobiec iskrzeniu i pożarowi.

Przepływ ciepła jest regulowany przez prawo przewodzenia ciepła Fouriera: Q = k * A * T/X. Opór cieplny przewodzenia (Rth) jest proporcjonalny do grubości ścieżki (X). Minimalizacja grubości przy jednoczesnym utrzymaniu przewodności cieplnej (k) jest kluczowa, aby maksymalizować szybkość przepływu ciepła (Q).

Równowaga pomiędzy przewodnictwem cieplnym a właściwościami dielektrycznymi stanowi klasyczne wyzwanie w inżynierii materiałów, ponieważ właściwości poprawiające przewodnictwo często kolidują z tymi potrzebnymi do izolacji elektrycznej. Inżynierowie potrzebują materiałów do zarządzania ciepłem, które optymalizują obie te cechy bez rezygnacji z możliwości produkcji.

2. Izolacja ogniw podczas awarii termicznej

Współczesne baterie oferują niewiele miejsca na fizyczne bariery lub przerwy powietrzne pomiędzy ogniwami. To utrudnia izolację uszkodzonego ogniva. Inżynierowie potrzebują cienkich materiałów, które mogą spowolnić lub zapobiec przenoszeniu ciepła na tyle długo, by systemy bezpieczeństwa mogły zareagować, minimalizując ryzyko katastrofy na poziomie całej baterii. Materiały takie jak mika są doskonałymi izolatorami. Jednak często są kruche i trudne do zintegrowania w procesach automatycznej montażu.

3. Zarządzanie gazami i płomieniami uwalnianymi podczas awarii

Gdy jakaś komora zawodzi, ciśnienie wewnętrzne rośnie, co zmusza gorące gazy, płomienie oraz cząsteczki do ucieczki na zewnątrz. Jeśli tego nie kontrolować, inne komory mogą ulec uszkodzeniu, co prowadzi do niebezpiecznego poziomu ciśnienia w całym urządzeniu. Inżynierowie potrzebują barier odpornych na płomienie, które umożliwią kontrolowane uwalnianie ciśnienia, jednocześnie zmniejszając ryzyko, że awaria pojedynczej komory przerodzi się w katastrofalne zdarzenie.

Trójstopniowa strategia zapobiegania i łagodzenia skutków

Inżynierowie wymagają złożonej strategii termicznej, która poprawia przewodnictwo cieplne, izoluje komponenty, kontroluje niekontrolowane reakcje i zarządza procesem uwalniania gazów.

1. Poprawa przewodnictwa cieplnego przy jednoczesnym utrzymaniu izolacji elektrycznej

Linia produktów taśmowych Avery Dennison Volt Tough™ oferuje rozwiązanie dzięki użyciu nośnika w postaci dielektrycznej folii oraz akrylowego kleju nadającego się do łączenia komór, modułów oraz elementów chłodzących.

Powłoki proszkowe dielektryczne utwardzane termicznie wymagają zazwyczaj grubości 250 µm, aby zapewnić pełne pokrycie powierzchni. Natomiast taśmy dielektryczne PSA z foliami PET lub polimidy mogą osiągnąć równoważną lub lepszą napięcie przerwania przy grubości zaledwie 85 µm. Przy założeniu porównywalnej przewodności cieplnej, taśma o grubości 85 µm zapewnia około 66% mniejszy opór cieplny w porównaniu z powłoką proszkową. Dzięki temu ciepło może być przekazywane niemal trzy razy szybciej z obudowy baterii do płynu chłodzącego, co skutecznie ogranicza maksymalne temperatury baterii podczas szybkiego ładowania.

2. Tworzenie barier, które ograniczają niekontrolowane nagrzewanie się

Tyśmy PSA o niskiej przewodności cieplnej mogą laminować i opakowywać materiały izolacyjne takie jak mika, aerogel czy papier ceramiczny. Dzięki temu powstaje wytrzymała konstrukcja, która zapewnia doskonałą równowagę między izolacją termiczną a wytrzymałością mechaniczną. Kleje zdolne do wytrzymania temperatur sięgających 500℃ przez krótki czas gwarantują niezawodne łączenie.

Avery Dennison oferuje specjalistyczne formuły podkładek o niskiej tendencji do uwalniania, które umożliwiają stosowanie tych tyśm w szybkich procesach montażu zautomatyzowanego bez uszkadzania kruchych podłoży.

3. Zarządzanie gazami i płomieniami podczas awarii komórki

Taśmy odwadniające anizotropowe Avery Dennison oferują eleganckie rozwiązanie problemu awarii ogniw. Taśmy te są umieszczane w strategicznych miejscach przy otworach odwadniających ogniw. Dzięki powłokom przeciwpożarowym każda ze stron ma inne właściwości pod wpływem ognia. Podczas zdarzenia termicznego taśma pęka, umożliwiając ucieczkę gazów i płomieni do kanału odwadniającego, jednocześnie zapobiegając temu, by te same gazy wpłynęły na sąsiednie ogniwa.

Wpływ termodynamiczny: chemie NMC vs. LFP

Jakość taśmy musi być dostosowana do modełów awarii termodynamicznych charakterystycznych dla danej chemii ogniw.

Nikiel-mangan-kobalt (NMC): Te katody charakteryzują się niższą stabilnością termiczną i powodują niekontrolowane nagrzewanie się już przy niższych temperaturach. W przypadku awarii katoda ulega egzotermicznej dekompozycji, uwalniając tlen, który sprzyja spalaniu, co skutkuje temperaturami powierzchniowymi od 800 do 1050℃. Strategie wentylacyjne muszą polegać przede wszystkim na kierowaniu płomienia oraz odchylaniu cząstek. Taśmy takie jak Avery Dennison ES 3505 szybko się palą, aby skierować strumienie o dużej prędkości do kanałów wydechowych. Hybrydowe taśmy z ceramiki i gumy, takie jak ES 3507, zapobiegają przenikaniu wyrzutków przez przegrody konstrukcyjne.

Fosforan litu i żelaza (LFP): Katody LFP charakteryzują się silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, co zapewnia wysoką stabilność termiczną przy progu wystąpienia zjawiska na poziomie 270–300℃. Nie uwalniają tlenu, dzięki czemu temperatury szczytowe są niższe (620–700℃). Jednakże te zjawiska powodują wysokie stężenia wodoru, który może się gromadzić i stanowić zagrożenie wybuchowe. Strategie wentylacyjne muszą polegać na szybkim usunięciu niespalonych gazów. Ponieważ zjawiska związane z LFP wytwarzają minimalną ilość materiałów ścierających, lekkie zawory wybuchowe sterowane ciśnieniem są niezwykle skuteczne.

Dlaczego Avery Dennison?

Avery Dennison łączy rozległy portfolio produktów PSA z wsparciem, na które mogą liczyć producenci przy tworzeniu specjalistycznych rozwiązań do zarządzania ciepłem. Nasze produkty są opracowane tak, aby rozwiązywać najczęstsze problemy w projektowaniu baterii, w tym zmniejszanie palności (UL® 94 V-0), zwiększanie wytrzymałości dielektrycznej oraz optymalizację procesu montażu.

Oferujemy również kompleksowe wsparcie, w tym dostęp do obiektów testowych oraz współpracę z ekspertami w danej dziedzinie. Jako producent z siedzibą w Stanach Zjednoczonych, obecny we wszystkich regionach świata, gwarantujemy dostęp zarówno do krajowych, jak i międzynarodowych łańcuchów dostaw.

Podsumowanie

Zapobieganie i łagodzenie zjawiska ucieczki ciepła pozostaje kluczowym wyzwaniem inżynieryjnym, na które nie istnieje prosta, jednoznaczna rozwiązanie. Sukces wymaga złożonej strategii obejmującej zarządzanie przenoszeniem ciepła, izolację termiczną oraz kontrolę materiałów używanych do odprowadzania ciepła. Taśmy PSA połączone z materiałami funkcyjnymi powinny stanowić podstawę takiej strategii.

Z przyjemnością omówimy z Państwem wyzwania związane z projektowaniem baterii oraz strategie zarządzania ciepłem przy użyciu taśm PSA.

Aby przejść do następnego kroku, prosimy o bezpośredni kontakt pod adresem max.vanraaphorst@averydennison.com. Więcej informacji znajduje się na stronie www.tapes.averydennison.com/evbattery.

Dowiedz się więcej

Stwórz konto. Jesteś już zarejestrowany? Zaloguj się

Wirtualna konferencja na temat inżynierii pojazdów elektrycznych: dostępna bezpłatnie

Nie przegap naszej kolejnej wirtualnej konferencji odbywającej się 14–17 września 2026 roku.

Zarejestruj się w poniższych bezpłatnych sesjach webinariów, aby zarezerwować sobie miejsce i oglądać je na żywo lub według własnego wyboru.

ZAŁADUJ WIĘCEJ SESJI