Avanços em adesivos térmicos: melhorando o desempenho da conexão entre células de bateria e o conjunto geral, bem como entre as células e as fitas, em veículos elétricos
Uma chave para o avanço de baterias de íon de lítio com alta densidade energética é o gerenciamento eficaz do calor gerado durante os ciclos de carregamento e descarregamento. O calor costuma ser controlado conectando as células e/ou módulos da bateria a uma placa de resfriamento ou a um conjunto de resfriamento por meio de materiais condutores térmicos (preenchimentos de espaços ou adesivos). Geralmente, são resinas poliméricas de dois componentes com enchimentos cerâmicos. Estes promovem a condução de calor ao remover o ar não apenas das superfícies microscópicas, mas também dos grandes espaços entre elas.
A arquitetura das baterias de veículos elétricos (VE) é determinada pelo formato da célula: tipo bolsa, cilíndrico e prismático. O tipo de célula é a principal influência no design do módulo/conjunto de baterias e nas necessidades de materiais para o gerenciamento térmico.
Células em formato de bolsa e cilíndricas são normalmente montadas em módulos, que por sua vez são conectados entre si no pacote. As células em formato de bolsa exigem esse tipo de montagem devido à falta de rigidez estrutural, enquanto as células cilíndricas precisam disso devido ao alto número de unidades (>1000). Anteriormente, as células prismáticas eram tratadas da mesma maneira, mas com o surgimento da arquitetura de célula para pacote/placa, já não há mais necessidade de módulos.
Geralmente, as pilhas de células em formato de bolsa são formadas em módulos de três maneiras, normalmente usando um adesivo térmico ou preenchimento de espaços, e depois são resfriadas em condições ambientais ou colocadas em contato com um sistema de resfriamento:
Inseridas em uma caixa sem adesivos ou sistema de gestão térmica
Inseridas em uma caixa com adesivos térmicos
Empilhadas com um dissipador de calor de alumínio entre cada célula, com ou sem material térmico
Os projetos de módulos de células cilíndricas se dividem em três categorias antes de serem inseridos no conjunto e conectados ao circuito de resfriamento:
Inseridos em suportes plásticos por meio de encaixe interferencial ou adesivos estruturais
Lado ligado a uma fita de resfriamento com adesivos térmicos
Fixados em um arranjo e, em seguida, as partes inferiores das células são unidas a uma carcaça ou placa de resfriamento usando um adesivo térmico
Células prismáticas são utilizadas para formar módulos ou conjuntos (os módulos são inseridos no conjunto), normalmente com o uso de adesivos térmicos ou preenchimentos para espaços vazios:
Os módulos são formados agrupando as células em uma pilha e, em seguida, inserindo-as em uma carcaça de módulo ou sobre uma placa de resfriamento, ambos usando adesivos térmicos ou preenchimentos para espaços vazios
Os conjuntos são formados diretamente ao unir células de grande formato (~1m de comprimento) à placa inferior usando adesivos térmicos ou preenchimentos para espaços vazios
Oportunidades e Desafios
Existem muitas oportunidades e desafios relacionados a design e fabricação para cada formato.
Os desafios das células em formato de bolsa incluem:
Rigidez estrutural mínima, exigindo um invólucro adicional
Uso de filmes de polietileno com baixa energia superficial como camada mais externa da bolsa de folha, o que limita a resistência final das estruturas baseadas em adesivos
Área de superfície insuficiente para remoção de calor quando empilhadas sem dissipadores térmicos (ou seja, resfriamento nas bordas)
Os desafios das células cilíndricas incluem:
Tamanho menor das células, exigindo muitas delas para alcançar o alcance do veículo
Número elevado de células, que demanda posicionamento preciso para garantir um encaixe adequado nos processos subsequentes
Requisitos significativos de fixação mecânica
Superfícies de aço revestidas com níquel que podem ser difíceis de unir
A célula pode funcionar mesmo sem o uso de mangas retráteis de PVC
Os desafios das células prismáticas incluem:
Uma área de superfície individual maior em comparação com células cilíndricas ou em formato de bolsa, o que gera problemas de tolerância tanto para a célula quanto para a placa ou pacote de resfriamento
Uso de filmes ou fitas de embalagem com baixa energia superficial para proteção dielétrica, o que limita a resistência final das estruturas feitas com adesivos
Necessidade maior de flexibilidade devido às áreas maiores, o que resulta em mais problemas de tolerância e maior estresse por expansão térmica
Muitos desses desafios podem ser mitigados com preenchimentos de espaços térmicos ou adesivos térmicos.
As primeiras aplicações de baterias para veículos elétricos dependiam de um pequeno número de formulações altamente especializadas. Atualmente, os sistemas de baterias de veículos elétricos se beneficiam de um portfólio mais amplo de materiais condutores térmicos, que ainda são projetados especificamente para as necessidades das baterias, mas oferecem uma gama maior de opções de desempenho e processamento.
Na Parker Lord, a distinção entre preenchedores de espaços e adesivos é baseada na resistência. Os preenchedores de espaços geralmente apresentam resistências à cisalhamento inferiores a 7 MPa (1015psi), enquanto os adesivos geralmente estão bem acima desse limite.
Adesivos térmicos formulados para a fabricação de baterias de veículos elétricos
Há 50 anos, adesivos estruturais acrílicos de dois componentes são utilizados para unir painéis automotivos. Sua capacidade de aderir diretamente a diversos metais e revestimentos, somada à cura em temperatura ambiente, reduziu significativamente a necessidade de fixações mecânicas e/ou soldagem. Da mesma forma, materiais isolantes e de encapsulamento condutores de calor, também de dois componentes, são usados há 60 anos para proteger componentes eletrônicos e dissipar calor.
Sendo líderes do setor em ambas as categorias, os cientistas da Parker Lord conseguiram combinar essas duas tecnologias, criando uma nova classe de adesivos: adesivos estruturais condutores de calor.
O adesivo estrutural condutor de calor CoolTherm TC-2002 da Parker Lord foi o primeiro produto comercial desta categoria. Sua alta resistência e condutividade térmica, combinadas com a capacidade de unir aço niquelado a alumínio revestido em pó e de curar à temperatura ambiente com um tempo de fixação relativamente curto, proporcionaram grande liberdade de design para módulos de baterias cilíndricas.
À medida que novos designs de célula para embalagem e de célula para placa são comercializados em sistemas de propulsão de veículos elétricos (VE), o papel dos adesivos térmicos tornou-se cada vez mais crítico. Há uma necessidade crescente de adesivos térmicos inovadores que unam efetivamente as células de bateria aos componentes da embalagem, ao mesmo tempo em que resolvem desafios de desempenho e fabricação.
As principais melhorias nos adesivos térmicos de acrílico e uretano incluem:
Forteza de adesão ajustável para designs estruturais ou de embalagem que permitam retrabalho
Aumento do alongamento para maior durabilidade
Velocidades de cura adaptadas
Métodos para facilitar a produção em larga escala.
A mais recente inovação da Parker Lord é o adesivo acrílico condutor de calor CoolTherm TC-850, que desenvolve as funcionalidades do CoolTherm TC-2002. Graças a inovações recentes em adesivos estruturais, é possível obter um alongamento quatro vezes maior, além de uma adesão aprimorada a plásticos e revestimentos.
Uma observação sobre a linha de junção – em geral, os adesivos oferecem níveis mais altos de resistência com linhas de junção mais finas. Uma linha de junção padrão tem 250 µm, mas quando a redução da resistência térmica é crítica, linhas de junção mais finas são sempre melhores. Para esses produtos, 100 µm foi considerado o ideal. Essa espessura permite uma resistência suficiente à ruptura, reduz o uso de material e diminui a condutividade térmica necessária.
Veja abaixo uma ilustração que demonstra que um material com 0,5 W/m∙K e linha de junção de 100 µm apresenta menor resistência térmica em comparação com um material de 1 W/m∙K e linha de junção de 250 µm.
Conclusão
Em conclusão, a escolha de um adesivo térmico que se adapte a projetos e necessidades específicas entre as células e o conjunto da bateria fornecerá aos projetistas de conjuntos de baterias e engenheiros de materiais o conhecimento necessário para otimizar o desempenho, a confiabilidade e a relação custo-benefício do conjunto.
A Parker Lord possui vasta experiência e conhecimento para ajudá-lo no projeto de baterias para veículos elétricos. Se deseja entrar em contato com um de seus engenheiros de aplicação para dar início ao processo, entre em contato ainda hoje.
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