Комплексная стратегия на основе ленты PSA для предотвращения и снижения риска теплового выхода из-под контроля в батарейных пакетах
Автор: Макс ВанРаапхорст, Avery Dennison.
Переход к электрификации увеличил спрос на высокопроизводительные аккумуляторы, что в свою очередь ускорило необходимость в масштабируемых решениях для управления теплом. Это особенно актуально на фоне стремления отрасли к более высокой плотности хранения энергии и более быстрой зарядке, что усиливает риски таких сбоев, как тепловой срыв.
Поиск и внедрение тепловых решений представляет собой серьезную инженерную задачу. Современные батарейные блоки имеют высокую плотность и сложную структуру. Дополнительные материалы должны быть эффективными, легкими и удобными в интеграции в производственные процессы. Прочные и универсальные ленты с термочувствительным клеем, такие как те, что производит Avery Dennison Performance Tapes, становятся предпочтительным материалом.
Основы использования лент с термочувствительным клеем
Ленты с термочувствительным клеем давно демонстрируют успех во многих отраслях. Они выбираются для различных применений благодаря своей универсальности, прочности, небольшой массе, тонкости и возможности масштабирования. Быстрое затвердевание позволяет осуществлять их нанесение на быстрых ручных или автоматизированных сборочных линиях.
Основой ленты PSA является клей, который может быть разработан с использованием специальных формул для обеспечения уникальных характеристик прочности и долговечности. Эти клеи предназначены для выдерживания сильных нагрузок, включая тепло, химикаты и механическую силу.
Ленты также могут быть настроены под индивидуальные требования и обеспечивать множество преимуществ. Например, ленту можно сложить с листом мика для создания огнезащитного барьера или с диэлектрической пленкой для получения электроизолятора. Кроме того, такие ленты можно штамповать и резать по форме для соответствия требованиям дизайна любого аккумуляторного блока.
Инженеры аккумуляторных блоков разработали множество способов применения лент PSA. К ним относятся системы соединения элементов, обмотка, вентиляция, уплотнительные подкладки, электроизоляция, использование в качестве уплотнителей, склеивание, герметизация и организация проводов. Все чаще наиболее важным применением лент является терморегулирование.
Основные проблемы управления теплом
Чтобы эффективно обеспечить безопасность и долговечность устройств, инженерам необходимо преодолеть три основные проблемы управления теплом. Хотя этот список не является исчерпывающим, он тесно связан с эффективностью, долговечностью и безопасностью аккумуляторов.
1. Способствование теплопередаче при одновременном сохранении диэлектрической прочности
Для тепла требуется путь с низким сопротивлением от элементов аккумулятора к компонентам охлаждения (например, холодным пластинам или ребрам охлаждения). Однако эти пути должны одновременно электрически изолировать высоковольтные элементы, чтобы предотвратить пробои и пожары.
Теплопередача регулируется законом теплопроводности Фурье: Q = k * A * T/X. Тепловое сопротивление (Rth) прямо пропорционально толщине (X). Минимизация толщины при сохранении теплопроводности (k) критически важна для максимизации скорости теплопередачи (Q).
Соотношение теплопроводности и диэлектрических свойств является классической проблемой инженерии материалов, поскольку свойства, улучшающие теплопроводность, часто противоречат тем, которые необходимы для электрической изоляции. Инженерам нужны материалы для управления теплом, способные оптимизировать оба этих параметра без ущерба для возможности их производства.
2. Изоляция элементов батареи при тепловом срыве
Современные батарейные блоки позволяют разместить лишь минимум физических барьеров или воздушных зазоров между элементами. Это затрудняет изоляцию поврежденного элемента. Инженерам требуются тонкие материалы, способные замедлить или предотвратить передачу тепла на достаточно долгий срок, чтобы системы безопасности успели отреагировать, тем самым снижая вероятность катастрофических последствий на уровне всего блока. Материалы вроде слюды являются отличными изоляторами. Однако они часто хрупки и трудно интегрируются в автоматизированные процессы сборки.
3. Управление выходящими газами и пламенем
Когда элемент выходит из строя, внутреннее давление повышается, что приводит к выходу горячих газов, пламени и частиц. Если этот процесс не контролировать, другие элементы могут пострадать, что приведет к опасному уровню давления внутри упаковки. Инженерам необходимы огнестойкие барьеры, которые позволяют контролируемо снижать давление, одновременно снижая вероятность того, что сбой одного элемента приведет к катастрофическим последствиям.
Трехэтапная стратегия предотвращения и смягчения последствий
Инженерам требуется многоаспектная тепловая стратегия, направленная на улучшение теплообмена, изоляцию компонентов, сдерживание неуправляемых процессов и контроль выхода газов.
1. Улучшение теплообмена при сохранении электрической изоляции
Линейка клеевых лент Avery Dennison Volt Tough™ предлагает решение благодаря наличию диэлектрической пленочной основы и акрилового клея, подходящего для соединения элементов, модулей и охлаждающих компонентов.
Для обеспечения полного покрытия термоотверждаемые диэлектрические порошковые покрытия обычно требуют толщины 250 мкм. Однако диэлектрические ленты PSA с пленками из PET или полиимида могут достигать эквивалентного или даже более высокого напряжения пробоя при толщине всего 85 мкм. При сопоставимой теплопроводности лента толщиной 85 мкм обеспечивает снижение теплового сопротивления примерно на 66% по сравнению с покрытием. Это позволяет теплу передаваться почти в три раза быстрее от корпуса аккумулятора к охлаждающей жидкости, эффективно снижая пиковые температуры аккумулятора во время быстрой зарядки.
2. Создание барьеров, снижающих риск теплового выхода из-под контроля
Ленты PSA с низкой теплопроводностью позволяют ламинировать и упаковывать изолирующие материалы, такие как мика, аэрогель или керамическая бумага. Это обеспечивает прочную конструкцию, которая дарует отличный баланс теплоизоляции и механической прочности. Клеи, способные выдерживать температуры около 500℃ в течение короткого времени, обеспечивают надежное сцепление.
Avery Dennison предлагает специализированные формулы подложек с низким уровнем отслоения, которые позволяют использовать эти ленты в высокоскоростных автоматизированных процессах сборки без повреждения хрупких подложек.
3. Управление выходящими газами и пламенем при сбое элемента
Анизотропные терморазгерметизационные ленты Avery Dennison представляют собой элегантное решение проблемы отказа аккумуляторных элементов. Эти ленты стратегически приклеиваются к портам для выпуска воздуха элементов. Благодаря огнестойкому покрытию каждая сторона ленты обладает разными характеристиками при воздействии пламени. Во время теплового события лента разрывается, позволяя газам и пламени выходить в канал для выпуска воздуха, одновременно предотвращая попадание этих же газов в соседние элементы.
Термодинамическое воздействие: химические составы NMC и LFP
Характеристики ленты должны соответствовать термодинамическим моделям отказа аккумуляторных элементов определенного химического состава.
Никель-марганец-кобальт (NMC): такие катоды обладают более низкой термической стабильностью и могут вызвать тепловую дестабилизацию уже при более низких температурах. При сбое катод происходит экзотермическое разложение, в результате чего выделяется кислород, способствующий горению; это приводит к повышению температуры на поверхности до 800–1050℃. Стратегии вентиляции должны сосредотачиваться на направлении пламени и отклонении частиц. Ленты вроде Avery Dennison ES 3505 быстро сгорают, перенаправляя струи высокой скорости в дымоотводы. Гибридные ленты из керамики и резины, такие как ES 3507, предотвращают проникновение выброшенных частиц в конструктивные перегородки.
Фосфат лития-железа (LFP): Катоды на основе LFP обладают прочными ковалентными связями, что обеспечивает высокую термическую стабильность при пороговой температуре возгорания 270–300℃. Они не выделяют кислород, в результате чего температура пика остается ниже (620–700℃). Однако в таких ситуациях образуется высокая концентрация водорода, который может накапливаться и создавать опасность взрыва. Стратегии вентиляции должны быть направлены на быстрое удаление негорючих газов. Поскольку при возгорании материалов LFP образуется минимум абразивных частиц, легкие клапаны с давочным приводом оказываются чрезвычайно эффективными.
Почему Avery Dennison?
Avery Dennison сочетает обширный ассортимент продуктов PSA с поддержкой, на которую могут рассчитывать производители при разработке индивидуальных решений для управления теплом. Наш ассортимент разработан для решения наиболее распространенных проблем в проектировании аккумуляторов, включая снижение легковоспламеняемости (UL® 94 V-0), повышение диэлектрической прочности и оптимизацию процесса сборки.
Мы также предоставляем комплексную поддержку, включая доступ к лабораториям тестирования и сотрудничество с экспертами в данной области. Будучи производителем из США с сильной присутствием во всех регионах мира, мы обеспечиваем доступ к как к отечественным, так и к международным цепочкам поставок.
Краткое резюме
Предотвращение и смягчение явления теплового выхода остается важной инженерной проблемой, для которой не существует простого и единственного решения. Для достижения успеха требуется многогранная стратегия, охватывающая передачу тепла, термоизоляцию и управление материалами, предназначенными для выпуска газов. На основе этой стратегии должны лежать ленты PSA, интегрированные с функциональными материалами.
Мы рады возможности обсудить с вами проблемы проектирования аккумуляторов и рассмотреть стратегии управления теплом с использованием лент PSA.
Чтобы перейти к следующему шагу, пожалуйста, свяжитесь со мной напрямую по адресу max.vanraaphorst@averydennison.com. Также вы можете посетить сайт www.tapes.averydennison.com/evbattery для получения дополнительной информации.
Узнайте больше
Создайте учетную запись. Уже зарегистрированы? Войдите
Виртуальная конференция по инженерии электромобилей: вход свободный
Не пропустите нашу следующую виртуальную конференцию 14–17 сентября 2026 года.
Зарегистрируйтесь на бесплатные вебинары ниже, чтобы забронировать свое место и посмотреть их в прямом эфире или по запросу.
ПОКАЗАТЬ ДОЛЖЕ