Almofadas de compressão para prolongar o desempenho da bateria

Os pesquisadores da Saint-Gobain desenvolveram modelos preditivos para prever com precisão o comportamento mecânico das almofadas de compressão em pacotes de baterias, escreve Nick Flaherty.

As células de íon de lítio apresentam expansão e contração durante os ciclos de carregamento e descarregamento, além de inchaço irreversível devido ao envelhecimento. As almofadas de compressão são componentes essenciais para garantir o desempenho ao longo da vida útil dos pacotes de baterias.

A função principal de uma almofada de compressão é atuar como um amortecedor flexível entre as células e absorver as flutuações volumétricas exercendo uma pressão consistente e otimizada. Ao absorver a tensão gerada pela expansão das células e manter a integridade estrutural do módulo, as almofadas de compressão reduzem os mecanismos de degradação, maximizando a durabilidade e a segurança do sistema de baterias ao longo de milhares de ciclos.

Os pesquisadores caracterizaram as propriedades mecânicas fundamentais das almofadas elastoméricas em uma variedade de condições, como diferentes velocidades e temperaturas de compressão, que são diretamente relevantes para aplicações reais em baterias. A resiliência mecânica a longo prazo da almofada é medida avaliando seu desempenho ao longo de milhares de ciclos de carga e descarga em diferentes temperaturas operacionais, confirmando sua capacidade de manter uma pressão constante por um longo período.

O uso de modelagem e simulação permite que os desenvolvedores explorem virtualmente o espaço de design, acelerando a criação de projetos otimizados para almofadas de compressão em aplicações de baterias.

Ao ajudar a manter a pressão adequada nas células durante todo o funcionamento, as almofadas de compressão contribuem para uma melhor retenção da capacidade e para uma vida útil mais longa da bateria. Elas também auxiliam a compensar o movimento das células, reduzindo as vibrações e proporcionando isolamento elétrico dentro do módulo da bateria.

Para simular as condições do conjunto de baterias, são realizados testes de fadiga cíclica em uma ampla faixa de temperatura, desde temperaturas abaixo de zero até 60–70 °C. Um teste de compressão cíclica com deformação constante em 3000 ciclos também simula o estresse operacional a longo prazo no material.

“Pesquisas realizadas na última década mostraram que o nível de pressão aplicado à célula afeta diretamente sua vida útil e a retenção de capacidade. Existe uma faixa ótima de pressão, geralmente entre 20 e 40 quilopascals para células do tipo pouch, que maximiza o desempenho e a longevidade. Se a pressão for muito alta ou muito baixa, a bateria pode se degradar muito mais rapidamente ou até mesmo falhar prematuramente”, disse Weilin Deng, engenheira sênior de pesquisa na Saint-Gobain.

A modelagem é importante porque não existe uma solução única, já que as exigências das baterias variam dependendo da química e do design da célula. Por exemplo, as células prismáticas precisam de materiais moderadamente rígidos, enquanto as células do tipo pouch geralmente exigem almofadas de compressão mais macias, e as baterias de estado sólido necessitam de almofadas de compressão muito rígidas.

A ferramenta digital permite ajustar as propriedades de compressão dos materiais conforme necessário. Utilizando dados de deflexão sob força de compressão, o desempenho é avaliado em diferentes níveis de compressão – como 20%, 50% e 70% – para atender a necessidades específicas de aplicação, sem depender exclusivamente de testes em laboratório.

A ferramenta recomenda materiais adequados e espessuras ótimas, exibindo ao mesmo tempo as curvas correspondentes de tensão-deformação. Por exemplo, pode sugerir o uso de um material como o PF150 em uma espessura específica para cumprir requisitos críticos de qualidade definidos.

Ela também suporta projetos com múltiplos materiais, combinando diferentes espumas para avaliar o comportamento de compressão conjunto.

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