Заряженные электромобили | Достижения в области термоклеев: улучшение характеристик соединения элементов аккумулятора с аккумулятором и элемента с лентой для электромобилей

Ключом к развитию литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии является эффективное управление теплом, выделяемым во время циклов зарядки и разрядки. Нагрев часто контролируется путем соединения аккумуляторных элементов и/или модулей с охлаждающей пластиной или блоком с помощью теплопроводящих материалов (заполнителей зазоров или клеев). Обычно это двухкомпонентные полимерные смолы с керамическими наполнителями. Они способствуют теплопроводности, вытесняя воздух не только с микроскопических поверхностей, но и из больших зазоров.

Архитектура аккумуляторной батареи электромобиля (EV) определяется форм-фактором элементов: карманный, цилиндрический и призматический. Тип элемента является основным определяющим фактором, влияющим на конструкцию модуля/пакета и потребности в материалах для управления температурным режимом.

Пакеты и цилиндрические ячейки обычно состоят из модулей, которые в упаковке соединяются друг с другом. Пакетные ячейки требуют такой конструкции из-за недостаточной жесткости конструкции, тогда как цилиндрические ячейки нуждаются в ней из-за большого количества штук (>1000). Раньше с призматическими элементами обращались таким же образом, но с появлением архитектуры «ячейка-пакет/пластина» необходимость в модулях отпала.

Как правило, стопки пакетных ячеек формируются в модули тремя способами, обычно с использованием термоклея или заполнителя зазоров, а затем либо охлаждаются окружающей средой, либо вводятся в контакт с системой охлаждения:

1. Вставлен в банку без клея и терморегулирования.
2. Вставлен в банку с термоклеем.
3. Установлен алюминиевый теплораспределитель между каждой ячейкой с термоматериалом и без него.

Конструкции модулей с цилиндрическими ячейками делятся на три категории перед вставкой в ​​блок и подключением к контуру охлаждения:

1. Вставляются в пластиковые держатели с помощью посадки с натягом или конструкционного клея.
2. Сторона прикреплена к охлаждающей ленте термоклеем.
3. Устанавливается в массив, а затем нижние части ячеек прикрепляются к корпусу или охлаждающей пластине с помощью термоклея.

Призматические ячейки используются для формирования модулей или пакетов (модули вставляются в пакет), обычно с использованием термоклея или заполнителя зазоров:

1. Модули формируются путем группировки ячеек в стопку, а затем либо вставляются в корпус модуля, либо на охлаждающую пластину, используя как термоклеи, так и заполнители зазоров.
2. Пакеты формируются непосредственно путем приклеивания ячеек большого формата (длиной ~1 м) непосредственно к нижней пластине с помощью термоклея или заполнителей зазоров.

Возможности и вызовы

Для каждого форм-фактора существует множество возможностей и проблем проектирования и производства.

Проблемы с карманными клетками включают в себя:

1. Минимальная жесткость конструкции, требующая дополнительного корпуса
2. Использование полиэтиленовых пленок с низкой поверхностной энергией в качестве внешнего слоя фольгированного пакета, что ограничивает предельную прочность многослойных пакетов на основе клея.
3. Граничная площадь поверхности для отвода тепла при штабелировании без теплоотводов (т. е. охлаждение кромок)

Проблемы с цилиндрическими ячейками включают в себя:

1. Меньший размер ячейки, требующий большого количества ячеек для достижения дальности действия транспортного средства.
2. Большое количество ячеек требует точного позиционирования для обеспечения правильного размещения последующих процессов.
3. Значительные требования к механическим креплениям
4. Никелированные стальные поверхности, которые трудно склеить.
5. Клетка может жить, даже если не используются термоусадочные рукава из ПВХ.

Проблемы призматических клеток включают:

1. Более высокая площадь поверхности отдельных ячеек по сравнению с цилиндрическими или пакетными ячейками, что приводит к проблемам с допусками как для ячейки, так и для охлаждающей пластины/пакета.
2. Использование термоусадочных пленок или лент с низкой поверхностной энергией для диэлектрической защиты, что ограничивает предельную прочность многослойных пакетов на основе клея.
3. Повышенная потребность в гибкости из-за больших площадей, что приводит к большему количеству допусков и большему напряжению из-за теплового расширения.

Многие из этих проблем можно решить, используя заполнители термических зазоров или термоклеи.

Ранние аккумуляторные батареи для электромобилей основывались на небольшом количестве узкоспециализированных составов. Сегодня аккумуляторные системы электромобилей используют более широкий ассортимент теплопроводящих материалов, которые по-прежнему разрабатываются специально для аккумуляторных батарей, но предлагают более широкий диапазон производительности и возможностей обработки.

В компании Parker Lord различие между заполнителями зазоров и клеями основано на прочности. Наполнители зазоров обычно демонстрируют прочность на сдвиг ниже 7 МПа (1015 фунтов на квадратный дюйм), в то время как клеи обычно значительно превышают этот порог.

Термоклеи, разработанные для производства аккумуляторов электромобилей.

Двухкомпонентные акриловые конструкционные клеи используются в течение последних 50 лет для склеивания автомобильных панелей. Их способность непосредственно связываться с различными металлами и отделками, а также отверждение при комнатной температуре значительно сократила количество необходимых механических креплений и/или сварки. Аналогично, двухкомпонентные теплопроводящие герметизирующие и герметизирующие материалы использовались в течение последних 60 лет для защиты электронных компонентов и отвода тепла.

Будучи лидером отрасли в обеих категориях, ученые компании Parker Lord смогли объединить эти две технологии, создав новый класс клеев: теплопроводящие конструкционные клеи.

Теплопроводный конструкционный клей CoolTherm TC-2002 компании Parker Lord стал первым коммерческим продуктом в этой категории. Его высокая прочность и теплопроводность в сочетании со способностью соединять никелированную сталь с алюминием с порошковым покрытием и отверждать при комнатной температуре с относительно коротким временем фиксации обеспечили значительную свободу проектирования цилиндрических аккумуляторных модулей.

По мере того как в силовых агрегатах электромобилей (EV) внедряются новые конструкции «ячейка-пакет» и «ячейка-пластина», роль термоклеев становится все более важной. Растет потребность в инновационных термоклеях, которые эффективно соединяют элементы аккумуляторной батареи с компонентами упаковки, одновременно решая проблемы производительности и производства.

Ключевые усовершенствования акриловых и уретановых термоклеев включают:

• Индивидуальная прочность соединения для структурных или перерабатываемых конструкций упаковок.
• Увеличенное удлинение для повышения долговечности.
• Адаптированная скорость отверждения
• Методы облегчения высокопроизводительного производства.

Последней разработкой компании Parker Lord является термопроводящий акриловый клей CoolTherm TC-850, который основан на возможностях CoolTherm TC-2002. Использование последних инноваций в области конструкционных клеев позволило в четыре раза увеличить удлинение, а также повысить адгезию к пластикам и покрытиям.

Одно замечание относительно склейки: как правило, клеи обеспечивают более высокий уровень прочности при более тонких склейках. Стандартная линия соединения составляет 250 мкм, но когда снижение термического сопротивления имеет решающее значение, более тонкие линии соединения всегда лучше. Для этих продуктов идеальным было признано значение 100 мкм. Такая толщина обеспечивает достаточную прочность на разрыв, снижает расход материала и снижает требуемую теплопроводность.

См. ниже иллюстрацию, демонстрирующую, что материал 0,5 Вт/м∙К с соединительным слоем 100 мкм обеспечивает более низкое термическое сопротивление по сравнению с материалом 1 Вт/м∙К с соединительным слоем 250 мкм.

Подводя итоги

В заключение, выбор термоклея, который соответствует конкретным конструкциям и потребностям элементов аккумуляторной батареи, предоставит разработчикам аккумуляторных батарей и инженерам-материалистам знания для оптимизации производительности, надежности и экономической эффективности аккумуляторов.

Паркер Лорд обладает богатым опытом и знаниями, которые помогут вам спроектировать аккумулятор для электромобиля. Если вы хотите связаться с одним из их инженеров по приложениям, чтобы начать работу, свяжитесь с нами сегодня.