Uma estratégia abrangente baseada em fita PSA para prevenção e mitigação de fugas térmicas em pacotes de baterias

De Max VanRaaphorst, Avery Dennison.

A transição em direção à eletrificação aumentou a demanda por baterias de alto desempenho, o que, por sua vez, acelerou a necessidade de soluções escaláveis de gerenciamento térmico. Isso é especialmente verdadeiro à medida que a indústria busca maior densidade e carregamento mais rápido, fatores que intensificam os efeitos de falhas como o descontrole térmico.

Achar e implementar soluções térmicas é um desafio significativo de engenharia. Os conjuntos de baterias modernos são densos e complexos. Os materiais adicionados precisam ser eficazes, leves e fáceis de integrar aos processos de produção. Fitas adesivas sensíveis à pressão (PSA) duráveis e versáteis, como as fabricadas pela Avery Dennison Performance Tapes, estão se tornando a escolha preferida para esse fim.

Uma introdução às fitas PSA

As fitas PSA têm um longo histórico de sucesso em diversos setores. São escolhidas para muitas aplicações graças à sua versatilidade, durabilidade, leveza, espessura reduzida e capacidade de escala. Sua cura instantânea permite aplicação rápida por meio de linhas de montagem manuais ou automatizadas.

A base de uma fita PSA é o adesivo, que pode ser desenvolvido com formulações específicas para oferecer características únicas em termos de resistência e durabilidade. Esses adesivos são projetados para suportar fatores estressantes, como calor, produtos químicos e forças mecânicas.

As fitas também são personalizáveis e podem proporcionar vários benefícios. Por exemplo, uma fita pode ser laminada a uma folha de mica para criar uma barreira contra chamas, ou a um filme dielétrico para formar um isolante elétrico. Além disso, essas fitas podem ser estampadas e cortadas conforme necessário para atender às exigências de design de qualquer bateria.

Os engenheiros de baterias desenvolveram inúmeras aplicações para fitas PSA. Entre elas estão sistemas de conexão entre células, revestimento, ventilação, acolchoamento para compressão, isolamento elétrico, vedação, colagem, selagem e organização de fios. Cada vez mais, a aplicação mais importante das fitas é o gerenciamento térmico.

Desafios principais de gestão térmica

Para projetar com eficácia em termos de segurança e durabilidade, os engenheiros precisam superar três desafios fundamentais de gestão térmica. Embora não sejam exaustivos, eles estão intimamente relacionados à eficácia, durabilidade e segurança das baterias.

1. Promover o fluxo de calor, assegurando ao mesmo tempo a resistência dielétrica

O calor precisa de um caminho de baixa resistência das células até os componentes de resfriamento (por exemplo, placas frias ou aletas de resfriamento). No entanto, esses caminhos devem isolar eletricamente as células de alta tensão para evitar arcos elétricos e incêndios.

A transferência de calor é regida pela Lei da Condução Térmica de Fourier: Q = k * A * T/X. A resistência térmica condutiva (Rth) é diretamente proporcional à espessura (X). Minimizar a espessura, mantendo a condutividade térmica (k), é essencial para maximizar a taxa de transferência de calor (Q).

Equilibrar a condutividade térmica com o desempenho dielétrico é um desafio clássico da engenharia de materiais, já que as propriedades que melhoram a condutividade muitas vezes entram em conflito com aquelas necessárias para isolamento elétrico. Os engenheiros precisam de materiais de gestão térmica que otimizem ambas as características sem sacrificar a possibilidade de fabricação.

2. Isolar as células durante o descontrole térmico

Os conjuntos de baterias modernos oferecem pouco espaço para barreiras físicas ou espaços de ar entre as células. Isso torna difícil isolar uma célula comprometida. Os engenheiros precisam de materiais finos que possam retardar ou impedir a transferência de calor por tempo suficiente para que os sistemas de segurança possam reagir, minimizando a probabilidade de uma catástrofe em nível do conjunto. Materiais como a mica são excelentes isolantes. No entanto, eles costumam ser frágeis e difíceis de integrar à montagem automatizada.

3. Gerenciar gases e chamas liberados

Quando uma célula falha, a pressão interna aumenta, forçando a saída de gases quentes, chamas e partículas. Se isso não for controlado, outras células podem ser comprometidas, criando níveis de pressão perigosos dentro do conjunto. Os engenheiros precisam de barreiras resistentes a chamas que permitam o alívio controlado da pressão, reduzindo a probabilidade de uma falha em uma única célula se transformar em um evento catastrófico.

Uma estratégia em três partes para prevenção e mitigação

Os engenheiros necessitam de uma estratégia térmica abrangente que melhore a transferência de calor, isole os componentes, contenha eventos descontrolados e gerencie a ventilação.

1. Melhorar a transferência de calor mantendo o isolamento elétrico

A linha de produtos adesivos Avery Dennison Volt Tough™ oferece uma solução, pois possui um suporte de filme dielétrico e adesivo acrílico adequado para a união entre células, módulos e componentes de resfriamento.

Os revestimentos em pó dielétricos termoendurecíveis geralmente exigem uma espessura de 250 µm para garantir cobertura adequada. No entanto, as fitas dielétricas PSA com filmes de PET ou poliimida conseguem atingir uma tensão de ruptura equivalente ou superior com uma espessura de apenas 85 µm. Considerando uma condutividade térmica comparável, a fita de 85 µm proporciona uma redução de aproximadamente 66% na resistência térmica condutiva em comparação com os revestimentos. Isso permite que o calor seja transferido quase três vezes mais rapidamente da carcaça da bateria para o fluido de resfriamento, suprimindo efetivamente as temperaturas máximas da bateria durante o carregamento rápido.

2. Criação de barreiras que mitigam o descontrole térmico

Fitas PSA com baixa condutividade térmica podem laminar e encapsular materiais isolantes como mica, aerogel ou papel cerâmico. Isso resulta em uma estrutura robusta que oferece um equilíbrio superior entre isolamento térmico e resistência mecânica. Adesivos capazes de suportar temperaturas próximas a 500℃ por curtos períodos garantem uma colagem confiável.

A Avery Dennison oferece formulações especializadas de revestimento de baixa liberação que permitem o uso dessas fitas em processos de montagem automatizados e de alta velocidade, sem danificar quaisquer substratos frágeis.

3. Gerenciamento de gases e chamas durante falhas das células

As fitas de ventilação anisotrópicas da Avery Dennison oferecem uma solução elegante para lidar com falhas nas células. Essas fitas são aplicadas estrategicamente nas portas de ventilação das células. Graças a um revestimento retardante de chama, cada lado apresenta propriedades diferentes ao ser exposto à chama. Durante um evento térmico, a fita se rompe para permitir que gases e chamas escapem pelo canal de ventilação, ao mesmo tempo em que impede que esses mesmos gases afetem as células próximas.

Impacto termodinâmico: químicas NMC vs. LFP

O desempenho da fita deve estar alinhado com os modos de falha termodinâmica da química da célula.

Níquel manganês cobalto (NMC): Esses cátodos apresentam menor estabilidade térmica e provocam descontrole térmico em temperaturas mais baixas. Em caso de falha, o cátodo se decompõe exotermicamente, liberando oxigênio que alimenta a combustão, resultando em temperaturas de superfície entre 800 e 1050℃. As estratégias de ventilação devem priorizar o direcionamento das chamas e a deflexão das partículas. Fitas como a Avery Dennison ES 3505 queimam rapidamente para desviar jatos de alta velocidade para os dutos de exaustão. Fitas híbridas de cerâmica e borracha, como a ES 3507, impedem que os materiais ejetados perfurem as divisórias estruturais.

Fosfato de ferro e lítio (LFP): Os cátodos LFP possuem fortes ligações covalentes, o que confere alta estabilidade térmica, com um limiar de início entre 270 e 300℃. Eles não liberam oxigênio, resultando em temperaturas de pico mais baixas (620-700℃). No entanto, esses eventos produzem altas concentrações de hidrogênio, que podem se acumular e criar risco de explosão. As estratégias de ventilação devem focar na eliminação rápida dos gases não queimados. Como os eventos com LFP geram poucos resíduos abrasivos, válvulas de ruptura leves acionadas por pressão são altamente eficazes.

Por que a Avery Dennison?

A Avery Dennison combina um portfólio abrangente de produtos PSA com suporte em que os fabricantes podem confiar para desenvolver soluções personalizadas de gerenciamento térmico. Nosso portfólio foi projetado para resolver os desafios mais comuns no design de baterias, incluindo a redução da inflamabilidade (UL® 94 V-0), o aumento da resistência dielétrica e a otimização do processo de montagem.

Também oferecemos suporte aprofundado, incluindo acesso a instalações de teste e colaboração com especialistas no assunto. E, como fabricante sediado nos EUA com forte presença em todas as regiões globais, garantimos acesso a cadeias de suprimentos nacionais e internacionais.

Resumo

A prevenção e mitigação do descontrole térmico continua sendo um desafio crítico em engenharia, sem uma solução simples e única. O sucesso exige uma estratégia multifacetada que aborde a transferência de calor, o isolamento térmico e o gerenciamento dos materiais utilizados para ventilação. As fitas PSA integradas a materiais funcionais devem ser a base dessa estratégia.

Agradecemos a oportunidade de discutir os desafios do seu design de baterias e explorar estratégias de gerenciamento térmico com o uso de fitas PSA.

Para dar o próximo passo, entre em contato diretamente comigo pelo e-mail max.vanraaphorst@averydennison.com. Você também pode visitar www.tapes.averydennison.com/evbattery para obter mais informações.

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