Прогресс в термоклеях: улучшение производительности соединений ячеек аккумулятора с корпусом и с лентой для электромобилей

Ключом к совершенствованию аккумуляторных батарей с высокой энергетической плотностью на основе литиево-ионных технологий является эффективное управление теплом, образующимся во время циклов зарядки и разрядки. Тепло часто удаляется путем подключения элементов батареи и/или модулей к охлаждающей пластине или корпусу с использованием теплопроводящих материалов (заполнителей щелей или клеев). Как правило, это двухкомпонентные полимерные смолы с керамическими наполнителями, которые способствуют теплопроводности путем вытеснения воздуха не только с микроскопических поверхностей, но и из крупных щелей.

Архитектура аккумуляторных батарей электромобилей определяется форм-фактором элементов батареи: пузырькового, цилиндрического и призматического типа. Тип элемента батареи оказывает основное влияние на проектирование модулей/батарей и выбор материалов для управления теплом.

Компактные и цилиндрические элементы обычно собираются в модули, которые затем соединяются между собой в пакет. Компактным элементам необходим такой способ сборки из-за отсутствия у них структурной прочности, тогда как цилиндрическим элементам он нужен из-за большого количества единиц (>1000). Ранее призматические элементы обрабатывались аналогичным образом, но с появлением архитектуры «элемент — пакет/пластина» модули больше не требуются.

Как правило, стопки компактных элементов формируются в модули тремя способами: обычно с использованием термоадгезива или вещества для заполнения зазоров, после чего они либо охлаждаются в окружающей среде, либо помещаются в контакт с системой охлаждения:

Вставка в корпус без использования адгезивов или средств управления теплом

Вставка в корпус с использованием термоадгезивов

Складирование с алюминиевым радиатором между каждыми элементами с применением или без применения теплоизоляционного материала

Конструкции цилиндрических ячеек делятся на три категории перед тем, как их устанавливают в пакет и подключают к системе охлаждения:

Устанавливаются в пластиковые каркасы с использованием принципа зацепления или строительных клеев

Боковые стороны склеиваются с охлаждающей лентой с помощью термоэластичных клеев

Ячейки располагаются в массиве, а затем их нижние части склеиваются с корпусом или пластиной охлаждения с использованием термоэластичного клея

Призматические ячейки используются для создания модулей или пакетов (модули устанавливаются в пакет), обычно с применением термоэластичного клея или вещества для заполнения зазоров:

Модули формируются путем сгруппировки ячеек в стопку, после чего они либо устанавливаются в корпус модуля, либо на пластину охлаждения, причем в обоих случаях используются термоэластичные клеи или вещества для заполнения зазоров

Пакеты формируются непосредственно путем склеивания крупногабаритных ячеек (длиной около 1 м) с нижней пластиной с использованием термоэластичных клеев или веществ для заполнения зазоров

Возможности и сложности

Для каждого форм-фактора существует множество возможностей и сложностей в области дизайна и производства.

Сложности, связанные с капсульными элементами, включают:

Недостаточная структурная прочность, требующая использования дополнительного корпуса

Использование пленок из полиэтилена с низкой поверхностной энергией в качестве самого внешнего слоя фольговой упаковки, что ограничивает конечную прочность конструкций на основе клея

Ограниченная площадь поверхности для отвода тепла при стекировании без использования рассеивателей тепла (то есть охлаждения по краям)

Сложности, связанные с цилиндрическими элементами, включают:

Меньший размер элементов, что требует использования большого количества таких элементов для обеспечения дальности поездки транспортного средства

Высокое количество элементов, требующее точного их расположения для правильной подготовки к последующим процессам

Значительные требования к механической фиксации

Поверхности из никелированной стали, с которыми может быть сложно осуществить склеивание

Элемент может функционировать без использования ПВХ-чехлов с эффектом сжатия

Среди проблем, связанных с призматическими элементами, можно выделить:

Более большая площадь поверхности отдельного элемента по сравнению с цилиндрическими или карманными элементами, что приводит к проблемам с толерантностью как у самого элемента, так и у пластины/упаковки для охлаждения

Использование пленок или лент с низкой поверхностной энергией в качестве защитного слоя, что ограничивает конечную прочность конструкций на основе клеев

Более высокая необходимость в гибкости из-за большей площади поверхности, что приводит к необходимости более точного выравнивания элементов и увеличению напряжений из-за теплового расширения

Многие из этих проблем можно снизить с помощью веществ для заполнения тепловых зазоров или термоадгезивов

В ранних применениях аккумуляторных блоков для электромобилей использовалось небольшое количество высокоспециализированных формулаций. Сегодня системы аккумуляторов электромобилей могут полагаться на более широкий спектр теплопроводящих материалов, которые по-прежнему разрабатываются специально с учетом требований аккумуляторных блоков, но предлагают более широкий диапазон характеристик и возможностей обработки.

В компании Parker Lord различие между заполняющими веществами для зазоров и клеями определяется прочностью. Заполняющие вещества обычно имеют прочность на сдвиг ниже 7 МПа (1015 фунтов на квадратный дюйм), в то время как клеи, как правило, значительно превышают этот показатель.

Тепловые клеи, разработанные для производства аккумуляторов электромобилей

Двухкомпонентные акриловые конструкционные клеи используются в течение последних 50 лет для склеивания автомобильных панелей. Их способность к прямому склеиванию с различными металлами и покрытиями, а также возможность затвердевания при комнатной температуре значительно сократили необходимость в механической фиксации и/или сварке. Аналогичным образом, двухкомпонентные теплопроводящие материалы для заполнения и упаковки применяются уже 60 лет для защиты электронных компонентов и отвода тепла.

Будучи лидерами в обоих этих сферах, ученые компании Parker Lord смогли объединить эти две технологии, создав новый класс клеев — теплопроводящие конструкционные клеи.

Термопроводящий конструкционный клей CoolTherm TC-2002 от компании Parker Lord стал первым коммерческим продуктом в этой категории. Его высокая прочность и теплопроводность, наряду с возможностью соединения никелированной стали с алюминием, покрытым порошковым лаком, и затвердевания при комнатной температуре в относительно короткий срок, обеспечили значительную свободу в проектировании цилиндрических батарейных модулей.

По мере внедрения новых конструкций соединения элементов батареи в силовых установках электромобилей роль термических клеев становится всё более важной. Возрастает потребность в инновационных термических клеях, способных эффективно соединять элементы батареи с компонентами корпуса, одновременно решая проблемы, связанные с производительностью и процессом изготовления.

Основные улучшения в акриловых и уретановых термических клеях включают:

Возможность регулировки прочности соединения для использования в конструкциях, требующих дополнительной обработки, или при проектировании корпусов батарей.

Увеличенная степень растяжения для повышения долговечности

Оптимизированные скорости отверждения

Методы, обеспечивающие высокую производительность в процессе изготовления.

Новейшим продуктом от Parker Lord является термоизоляционный акриловый клей CoolTherm TC-850, разработанный на основе технологий клея CoolTherm TC-2002. Благодаря недавним инновациям в области конструкционных клеев достигнуто в четыре раза большее растяжение, а также улучшена адгезия к пластикам и покрытиям.

Одно замечание относительно толщины шва: в целом клеи обеспечивают более высокую прочность при меньшей толщине шва. Стандартная толщина шва составляет 250 мкм, но когда критически важно снизить теплопроводность, всегда лучше использовать более тонкие швы. Для этих продуктов была определена идеальной толщиной 100 мкм. Такая толщина обеспечивает достаточную прочность на разрыв, сокращает количество используемого материала и понижает необходимую теплопроводность.

Ниже приведена иллюстрация, демонстрирующая, что материал с теплопроводностью 0,5 Вт/м·К и толщиной шва 100 мкм имеет более низкую теплопроводность по сравнению с материалом с теплопроводностью 1 Вт/м·К и толщиной шва 250 мкм.

Итоги

В заключение, выбор термоадгезива, соответствующего конкретным требованиям и дизайну элементов батареи, предоставит специалистам по проектированию батарейных блоков и инженерам по материалам знания, необходимые для оптимизации их производительности, надежности и экономической эффективности.

Компания Parker Lord обладает обширным опытом и знаниями, которые могут помочь вам при проектировании аккумуляторов для электромобилей. Если вы хотите связаться с одним из их инженеров-специалистов, чтобы начать работу, сделайте это уже сегодня.

Создать учетную запись. Уже зарегистрированы? Войти

Виртуальная конференция по инженерии электромобилей: вход бесплатный

Не пропустите нашу следующую виртуальную конференцию, которая пройдет с 14 по 17 сентября 2026 года.

Зарегистрируйтесь на бесплатные вебинары ниже, чтобы забронировать место и посмотреть их в прямом эфире или по запросу.

Загрузить больше сессий