Postępy w klejach termicznych: poprawa wydajności łączeń komórek baterii z obudową oraz z taśmą w pojazdach elektrycznych
Kluczem do rozwoju baterii o wysokiej gęstości energii typu litowo-jonowego jest skuteczne zarządzanie ciepłem wytwarzanym podczas cykli ładowania i rozładowywania. Ciepło jest zazwyczaj kontrolowane poprzez połączenie komórek baterii i/lub modułów z płytą chłodzącą lub całym pakietem za pomocą materiałów przewodzących ciepło (materiałów wypełniających szczeliny lub klejów). Zazwyczaj są to żywice polimerowe dwuskładnikowe z wypełnieniami ceramicznymi, które poprawiają przewodzenie ciepła poprzez wypieranie powietrza nie tylko z mikroskopijnych powierzchni, ale także z dużych szczelin.
Architektura pakietów baterii w pojazdach elektrycznych jest determinowana przez kształt komórki: typ workowy, cylindryczny i pryzmatyczny. Rodzaj komórki ma decydujący wpływ na projekt modułu/pakietu oraz na potrzeby materiałów do zarządzania ciepłem.
Komórki typu pouch i cylindryczne są zazwyczaj łączone w moduły, a te z kolei połączane ze sobą w całość pakietu. Komórki typu pouch wymagają takiej konstrukcji ze względu na brak sztywności strukturalnej, natomiast komórki cylindryczne potrzebują jej ze względu na dużą liczbę elementów (>1000). Wcześniej komórki pryzmatyczne były obsługiwane w ten sam sposób, ale dzięki pojawieniu się architektury od komórki do pakietu/płyty, moduły są już niepotrzebne.
Ogólnie rzecz biorąc, stosy komórek typu pouch są formowane w moduły na trzy sposoby: zwykle przy użyciu kleju termicznego lub materiału wypełniającego szczeliny, a następnie albo chłodzone w warunkach otoczenia, albo umieszczane w kontakcie z systemem chłodzącym:
Wstawiane do pojemnika bez żadnych klejów ani systemu zarządzania ciepłem
Wstawiane do pojemnika z klejami termicznymi
Składane z użyciem aluminiowego rozpraszacza ciepła pomiędzy poszczególnymi komórkami, z lub bez materiału termicznego
Konstrukcje cylindrycznych modułów komórek dzielą się na trzy kategorie przed włożeniem ich do pakietu i połączeniem z obiegiem chłodzącym:
Wkładane do plastikowych nośników za pomocą dopasowania interferencyjnego lub klejów konstrukcyjnych
Boki łączone z taśmą chłodzącą za pomocą klejów termicznych
Układane w szereg, a następnie dno komórek łączone z obudową lub płytą chłodzącą za pomocą kleju termicznego
Komórki pryzmatyczne są używane do tworzenia modułów lub pakietów (moduły wklędzane są do pakietu), zazwyczaj przy użyciu kleju termicznego lub wypełniacza szczelin:
Moduły tworzone są poprzez grupowanie komórek w stos, a następnie ich włożenie do obudowy modułu lub na płytę chłodzącą, przy użyciu klejów termicznych lub wypełniaczy szczelin
Pakiety tworzone są bezpośrednio poprzez łączenie dużych komórek o długości około 1 m bezpośrednio z płytą dolną za pomocą klejów termicznych lub wypełniaczy szczelin
Możliwości i wyzwania
Dla każdego rozmiaru istnieje wiele możliwości i wyzwań związanych z projektowaniem oraz produkcją.
Wyzwania związane z komórkami typu pouch obejmują:
Niska sztywność konstrukcyjna, wymagająca dodatkowej obudowy
Użycie folii z polietylenu o niskiej energii powierzchniowej jako najzewnętrzniejszej warstwy torebki, co ogranicza ostateczną wytrzymałość konstrukcji opartych na kleju
Niewielka powierzchnia do odprowadzania ciepła przy układaniu komórek bez elementów rozpraszających ciepło (tj. chłodzenia krawędzi)
Wyzwania związane z komórkami cylindrycznymi obejmują:
Mniejszy rozmiar komórki, wymagający dużej liczby komórek aby osiągnąć zasięg pojazdu
Wysoka liczba komórek, która wymaga dokładnego ustawienia w celu zapewnienia prawidłowego umiejscowienia podczas dalszych procesów
Znaczne wymagania dotyczące mechanicznego mocowania
Powierzchnie ze stali pokrytej niklem, które mogą być trudne do sklejenia
Komórka może funkcjonować nawet bez użycia osłon z PVC
Wyzwania związane z komórkami pryzmatycznymi obejmują:
Większą powierzchnię pojedynczej komórki w porównaniu z komórkami cylindrycznymi lub workowatymi, co powoduje problemy z tolerancją zarówno u samej komórki, jak i przy płycie chłodzącej lub pakiecie
Używanie folii lub taśm o niskiej energii powierzchniowej do ochrony dielektrycznej, co ogranicza ostateczną wytrzymałość konstrukcji opartych na klejach
Zwiększoną potrzebę elastyczności ze względu na większe powierzchnie, co skutkuje koniecznością większej tolerancji przy układaniu elementów oraz większym napięciem spowodowanym rozszerzalnością cieplną.
Wiele z tych problemów można złagodzić za pomocą materiałów wypełniających szczeliny termiczne lub klejów termicznych.
Pierwotne zastosowania pakietów baterii w pojazdach elektrycznych opierały się na niewielkiej liczbie wysoce specjalistycznych formuł. Dziś systemy baterii w pojazdach elektrycznych korzystają z szerszego portfolio materiałów przewodzących ciepło, które nadal są projektowane specjalnie pod kątem wymagań pakietów baterii, ale oferują szerszy zakres możliwości pod względem wydajności i procesowania.
W Parker Lord rozróżnienie pomiędzy materiałami wypełniającymi szczeliny a klejami opiera się na wytrzymałości. Materiały wypełniające szczeliny zazwyczaj wykazują wytrzymałość na ścinanie poniżej 7 MPa (1015 psi), podczas gdy kleje zwykle przewyższają ten próg.
Kleje termiczne opracowane do produkcji baterii w pojazdach elektrycznych
Od ostatnich 50 lat do łączenia paneli samochodowych używane są dwuskładnikowe akrylowe kleje konstrukcyjne. Ich zdolność do bezpośredniego łączenia się z różnymi metalem i powłokami, w połączeniu z utwardzaniem w temperaturze pokojowej, znacznie zmniejszyła ilość potrzebnych elementów mechanicznych i/lub spawania. Podobnie, od 60 lat do ochrony komponentów elektronicznych i odprowadzania ciepła stosowane są dwuskładnikowe, przewodzące ciepło materiały do wypełniania i opakowywania.
Jako lider rynku w obu tych kategoriach, naukowcy z Parker Lord zdołali połączyć te dwie technologie, tworząc nową klasę klejów: przewodzące ciepło kleje konstrukcyjne.
Parker Lord’s CoolTherm TC-2002 – klej konstrukcyjny o właściwościach przewodzących ciepło – był pierwszym produktem komercyjnym w tej kategorii. Jego duża wytrzymałość i przewodność cieplna, w połączeniu z możliwością łączenia stali pokrytej niklem z aluminium malowanym proszkowo oraz szybkim wysychaniem w temperaturze pokojowej, umożliwiły znacznie większą swobodę projektowania modułów baterii cylindrycznych.
W miarę wprowadzania na rynek nowych rozwiązań łączących ogniwa z obudowami oraz z płytami w układach napędowych pojazdów elektrycznych, rola klejów termicznych staje się coraz ważniejsza. Istnieje rosnąca potrzeba innowacyjnych klejów termicznych, które skutecznie łączą ogniwa baterii z komponentami obudowy, jednocześnie rozwiązując problemy związane z wydajnością i procesem produkcji.
Główne ulepszenia w klejach termicznych na bazie akrylu i uretanu obejmują:
Możliwość dostosowania siły łączenia do potrzeb projektów konstrukcyjnych lub tych wymagających korekty.
Zwiększona wydłużalność dla lepszej trwałości
Dostosowane szybkości utwardzania
Metody ułatwiające produkcję o dużej wydajności.
Najnowszym produktem firmy Parker Lord jest CoolTherm TC-850 – akrylowy klej o właściwościach przewodzących ciepło, który rozwija możliwości modelu CoolTherm TC-2002. Dzięki najnowszym innowacjom w zakresie klejów konstrukcyjnych uzyskano czterokrotnie większą wydłużalność oraz lepszą przyczepność do plastików i powłok.
Jedna uwaga dotycząca linii łączenia – ogólnie rzecz biorąc, kleje zapewniają wyższą wytrzymałość przy cieńszych liniach łączenia. Standardowa linia łączenia ma grubość 250 µm, ale gdy kluczowe jest obniżenie oporu cieplnego, zawsze lepsze są cieńsze linie łączenia. Dla tych produktów jako idealna okazała się grubość 100 µm. Ta grubość zapewnia wystarczającą wytrzymałość na rozrywanie, zmniejsza zużycie materiału i obniża wymaganą przewodność cieplną.
Poniżej znajduje się ilustracja pokazująca, że materiał o przewodności cieplnej 0,5 W/m∙K przy linii łączenia o grubości 100 µm osiąga niższy opór cieplny w porównaniu z materiałem o przewodności 1 W/m∙K przy linii łączenia o grubości 250 µm.
Podsumowując, wybór kleju termicznego dostosowanego do konkretnych projektów i wymagań pomiędzy ogniwami a obudową zapewni projektantom baterii oraz inżynierom materiałowym wiedzę niezbędną do optymalizacji wydajności, niezawodności i opłacalności takich rozwiązań.
Parker Lord posiada bogate doświadczenie i wiedzę, które pomogą Ci w projektowaniu baterii do pojazdów elektrycznych. Jeśli chcesz skontaktować się z jednym z ich inżynierów ds. zastosowań, aby rozpocząć pracę, skontaktuj się z nami już dziś.
Stwórz konto. Jesteś zarejestrowany? Zaloguj się
Wirtualna konferencja na temat inżynierii pojazdów elektrycznych: dostępna bezpłatnie
Nie przegap naszej kolejnej wirtualnej konferencji, która odbędzie się od 14 do 17 września 2026 roku.
Zarejestruj się na poniższe bezpłatne sesje webinarych, aby zarezerwować sobie miejsce i oglądać je na żywo lub według własnego wyboru.
ŁADUJ WIĘCEJ SESJI