Комплексна стратегія на основі PSA-стрічок для запобігання та пом’якшення ефекту теплового вибуху в акумуляторних батареях
Автор: Макс ВанРаапхорст, Avery Dennison.
Перехід до електрифікації підвищив попит на акумулятори високої продуктивності, що у свою чергу прискорило потребу у масштабованих рішеннях для керування теплом. Це особливо актуально, оскільки галузь прагне до більшої щільності та швидкішого заряджання, що посилює ризик таких несправностей, як тепловий вибух.
Пошук та впровадження теплових рішень є значною інженерною проблемою. Сучасні акумуляторні батареї є щільними та складними за конструкцією. Додаткові матеріали мають бути ефективними, легкими та зручними для інтеграції у виробничі процеси. Міцні та багатофункціональні клейкі стрічки, чутливі до тиску (PSA), такі як ті, що виробляються компанією Avery Dennison Performance Tapes, стають улюбленим матеріалом для цих цілей.
Огляд клейких стрічок PSA
Клейкі стрічки PSA мають довгу історію успіху в багатьох галузях промисловості. Їх обирають для багатьох застосувань завдяки їхній багатофункціональності, міцності, легкості, тонкості та можливостям масштабування. Їхнє швидке затвердіння дозволяє швидко застосовувати їх на ручних чи автоматизованих конвеєрах.
Стрічки також можна налаштувати індивідуально, що дозволяє отримати багато переваг. Наприклад, стрічку можна ламінувати з пластинкою міки для створення вогнезахисного бар’єру або з діелектричною плівкою для створення електричного ізолятора. Крім того, ці стрічки можна штампувати та формувати за допомогою пресів, щоб вони відповідали вимогам дизайну будь-якої батарейної упаковки.
Інженери батарейних упаковок розробили безліч застосувань для стрічок PSA. До них належать системи з’єднання елементів батареї, обгортка, вентиляція, ущільнювальні матеріали, електричний ізоляційний шар, ущільнювачі, з’єднання елементів, герметизація та організація проводів. Все частіше найважливішим застосуванням стрічок є терморегулювання.
Ключові виклики у керуванні теплом
Щоб ефективно проектувати пристрої з урахуванням безпеки та тривалості служби, інженерам необхідно подолати три основні проблеми, пов’язані з керуванням теплом. Хоча це не вичерпний перелік, вони тісно пов’язані з ефективністю, довговічністю та безпекою акумуляторів.
1. Сприяння потоку тепла при збереженні діелектричної міцності
Теплу потрібен шлях з низьким опором від елементів акумулятора до компонентів охолодження (наприклад, холодних пластин чи ребер охолодження). Однак ці шляхи мають одночасно електрично ізолювати високовольтні елементи, щоб запобігти пробою та виникненню пожежі.
Передача тепла регулюється законом провідності тепла Фур’є: Q = k * A * T/X. Тепловий опір провідності (Rth) прямо пропорційний товщині (X). Мінімізація товщини при збереженні теплопровідності (k) є ключовою для максимізації швидкості передачі тепла (Q).
Збалансувати теплопровідність і діелектричні властивості є класичною проблемою інженерії матеріалів, адже властивості, які покращують теплопровідність, часто суперечать тим, що потрібні для електричної ізоляції. Інженерам потрібні матеріали для керування теплом, які оптимізують обидві характеристики, не жертвуючи при цьому можливістю їх виготовлення.
2. Ізоляція елементів під час теплового вибуху
Сучасні акумуляторні батареї мають дуже обмежене простір для фізичних бар’єрів чи повітряних проміжків між елементами. Це ускладнює ізоляцію пошкодженого елемента. Інженерам потрібні тонкі матеріали, які можуть уповільнити або запобігти передачі тепла на достатній час, щоб системи безпеки встигли відреагувати, тим самим зменшуючи ризик катастрофи на рівні всієї батареї. Матеріали на кшталт слюди є відмінними ізоляторами. Однак вони часто крихкі та складні у впровадженні у автоматизовану сборку.
3. Керування газами та полум’ям, що виходять назовні
Коли ячейка виходить з ладу, внутрішній тиск підвищується, що змушує гарячі гази, полум’я та частинки витікати назовні. Якщо це не контролювати, інші ячейки також можуть постраждати, що призведе до небезпечного рівня тиску всередині пристрою. Інженерам потрібні вогнестійкі бар’єри, які дозволяють контрольовано знижувати тиск, водночас зменшуючи ймовірність того, що несправність однієї ячейки переросте у катастрофічну ситуацію.
Триетапна стратегія запобігання та пом’якшення наслідків
Інженерам потрібна багатоаспектна теплова стратегія, яка покращує передачу тепла, ізолює компоненти, стримує неконтрольовані процеси та керує процесом витікання газів.
1. Покращення передачі тепла зі збереженням електричної ізоляції
Лінійка клеючих стрічок Avery Dennison Volt Tough™ пропонує рішення завдяки наявності діелектричного плівкового носія та акрилового клею, придатних для з’єднання ячейок, модулів та компонентів охолодження.
Термоутворювальні діелектричні порошкові покриття зазвичай потребують товщини 250 мкм для забезпечення повного покриття. Однак діелектричні стрічки PSA з плівками PET або полііміду можуть досягати еквівалентної або навіть кращої напруги розриву при товщині лише 85 мкм. За умови порівнянної теплопровідності стрічка товщиною 85 мкм забезпечує приблизно на 66% менший опір теплопередачі порівняно з покриттям. Це дозволяє теплу передаватися майже втричі швидше від корпусу акумулятора до охолоджувальної рідини, ефективно знижуючи пікові температури акумулятора під час швидкого заряджання.
2. Створення бар’єрів, які запобігають тепловому вибуху
Тейпи PSA з низькою теплопровідністю дозволяють ламінувати та упаковувати ізоляційні матеріали, такі як міка, аерогель чи керамічний папір. Це забезпечує міцну конструкцію, яка гармонійно поєднує високу теплоізоляцію та механічну міцність. Клеї, здатні витримувати температури близько 500℃ протягом короткого часу, забезпечують надійне з’єднання.
Avery Dennison пропонує спеціалізовані формулювання базового шару з низьким рівнем вивільнення, які дозволяють використовувати ці тейпи у високошвидкісних автоматизованих процесах збирання без пошкодження крихких підложок.
3. Керування газами та полум’ям під час збою елемента
Тейпи для анізотропного вентилювання Avery Dennison пропонують елегантне рішення для усунення проблем, пов’язаних з несправністю акумуляторних елементів. Ці тейпи стратегічно приклеюються до портів вентиляції елементів. Завдяки вогнестійкому покриттю кожна сторона тейпу має різні характеристики при контакті з вогнем. Під час теплової катастрофи тейп розривається, щоб дозволити газам та полум’ю вийти у канал вентиляції, водночас запобігаючи потраплянню цих газів у сусідні елементи.
Термодинамічний вплив: хімії NMC та LFP
Характеристики тейпу мають відповідати термодинамічним моделям несправностей, притаманним конкретній хімії акумуляторних елементів.
Нікель-марганець-кобальт (NMC): ці катоди мають нижчу термічну стабільність та спричиняють термічний вибух при нижчих температурах. У разі збою катод екзотермічно розкладається, вивільняючи кисень, який підтримує процес горіння, що призводить до температури на поверхні 800–1050℃. Стратегії вентиляції мають передбачати спрямування полум’я та відхилення частинок. Тейпи на кшталт Avery Dennison ES 3505 швидко згорають, щоб спрямувати струмені високої швидкості у вихлопні канали. Гібридні тейпи з кераміки та гуми, такі як ES 3507, запобігають проникненню викидів у конструктивні перегородки.
Фосфат літію з залізом (LFP): Катоди на основі LFP мають міцні ковалентні зв’язки, що забезпечує високу термічну стабільність при пороговій температурі 270–300℃. Вони не вивільняють кисень, тому досягається нижча пікова температура (620–700℃). Однак у таких ситуаціях утворюється висока концентрація водню, який може накопичуватися та створювати небезпеку вибуху. Стратегії вентиляції мають бути спрямовані на швидке виведення непалених газів. Оскільки під час реакцій LFP утворюється мінімум абразивних частинок, легкі клапани, які відкриваються під дією тиску, є надзвичайно ефективними.
Чому саме Avery Dennison?
Avery Dennison поєднує широкий асортимент продуктів PSA з підтримкою, на яку можуть розраховувати виробники для створення індивідуальних рішень з терморегулювання. Наш асортимент розроблений для вирішення найпоширеніших проблем у проектуванні акумуляторів, зокрема для зниження легкозаймистості (UL® 94 V-0), підвищення діелектричної міцності та оптимізації процесу збирання.
Ми також надаємо глибоку підтримку, включаючи доступ до лабораторій тестування та співпрацю з експертами у цій галузі. Як виробник із США, який має сильну присутність у всіх світових регіонах, ми забезпечуємо доступ як до внутрішніх, так і до міжнародних ланцюгів постачання.
Підсумок
Запобігання та пом’якшення ефекту теплового вибуху залишається критичною інженерною проблемою, для якої не існує простого та єдиного рішення. Досягнення успіху вимагає багатоаспектної стратегії, яка враховує процеси передачі тепла, термоізоляцію та управління матеріалами, призначеними для виведення тепла. Наклейки PSA, інтегровані з функціональними матеріалами, мають стати основою такої стратегії.
Ми раді можливості обговорити з вами проблеми проектування акумуляторів та розглянути стратегії управління теплом з використанням наклейок PSA.
Щоб зробити наступний крок, будь ласка, зв’яжіться зі мною безпосередньо за адресою max.vanraaphorst@averydennison.com. Ви також можете відвідати сайт www.tapes.averydennison.com/evbattery для отримання додаткової інформації.
Дізнайтеся більше
Створіть обліковий запис. Вже зареєстровані? Увійдіть
Віртуальна конференція з інженерії електромобілів: вхід безкоштовний
Не пропустіть нашу наступну віртуальну конференцію 14–17 вересня 2026 року.
Зареєструйтесь на безкоштовні вебінари нижче, щоб забронювати собі місце та переглянути їх у прямому ефірі або за потреби.
ЗАГЛЯНЬТЕ НА БІЛЬШУ КІЛЬКІСТЬ СЕЗІЙ