Quelle barrière thermique contre l'emballement est la meilleure pour les batteries de véhicules électriques : mica, aérogel ou composite céramique ? 

Le choix d'une barrière thermique contre l'emballement de la batterie EV en fonction de la seule température maximale peut rendre le pack vulnérable à la propagation de cellule à cellule, aux jets de flammes, à l'érosion des particules ou aux pannes électriques.

Le matériau approprié dépend de l'endroit où la barrière est installée et de ce qu'elle doit faire pendant le fonctionnement normal de la batterie et lors d'un événement thermique. L'aérogel est particulièrement attrayant pour la résistance thermique fine de cellule à cellule, le mica fournit une isolation électrique et haute température robuste, tandis que les matériaux composites céramiques peuvent fournir une forte protection incendie et thermique dans les applications au niveau des modules et des packs.

Il n’y a donc pas de gagnant universel dans la comparaison entre l’ aérogel et le mica . Un ingénieur en batteries doit d'abord définir l'exposition thermique, l'épaisseur, la compression, les exigences diélectriques et l'emplacement d'installation avant de sélectionner le matériau.

En quoi les barrières composites en mica, aérogel et céramique diffèrent-elles ?

Remplacer un matériau par un autre uniquement sur la conductivité thermique peut résoudre un problème tout en créant un problème d'emballage, de compression ou d'isolation électrique.

Comparez les matériaux par fonction plutôt que par nom de matériau. L'aérogel peut fournir une résistance thermique élevée dans un espace mince de cellule à cellule ; le mica convient largement à l'isolation électrique et aux barrières coupe-feu ; les composites à base de céramique deviennent attrayants là où une exposition thermique sévère et la performance de la barrière structurelle sont importantes.

Quand l’aérogel est-il meilleur que le mica entre les cellules de la batterie ?

L’utilisation d’une barrière qui conduit trop de chaleur à travers un espace cellulaire étroit peut permettre à une cellule défaillante de chauffer sa voisine assez rapidement pour contribuer à la propagation.

L'aérogel devient particulièrement intéressant lorsqu'une résistance thermique élevée doit s'insérer dans un espace mince de cellule à cellule. Les barrières d'aérogel EV commerciales peuvent également être conçues autour du comportement de compression afin que le coussinet fonctionne lors d'un gonflement cellulaire normal ainsi que lors d'un événement thermique anormal.^[1]

Aspen Aerogels a rapporté un exemple de mini-module utilisant deux cellules prismatiques de 62 Ah avec une barrière PyroThin de 2,35 mm à une contrainte d'environ 50 %. La cellule adjacente n'a pas subi d'emballement thermique lors de ce test spécifique, bien qu'Aspen note explicitement que la configuration a isolé certaines voies de propagation secondaires trouvées dans un pack complet.^[2]

Ce résultat ne doit pas être converti en une « règle d'aérogel de 2,35 mm » universelle. La chimie des cellules, l'énergie, l'espacement, la compression et les mécanismes de propagation diffèrent selon la conception de la batterie.

Quand les composites de mica et de céramique sont-ils de meilleurs choix ?

L'utilisation partout d'un matériau de compression cellulaire souple peut laisser les barres omnibus, les limites de modules ou les couvercles de packs sans la barrière électrique ou structurelle dont ils ont besoin.

Utilisez des matériaux composites en mica ou en céramique lorsque la conception nécessite une isolation électrique à haute température, une résistance au feu ou une barrière structurellement plus stable. Le mica peut être particulièrement utile autour des conducteurs HT, des barres omnibus, des structures de modules et de l'isolation au niveau du pack.

Les composites de silicone céramifiables offrent une autre voie. Saint-Gobain, par exemple, répertorie les produits en silicone céramifiables pour les coussinets contre l'emballement thermique et la protection des packs de cellule à cellule, démontrant qu'un système de formation de céramique peut combiner la flexibilité lors de l'assemblage avec une barrière de protection lors d'une exposition à une chaleur intense.^[3]

Comment choisir une barrière contre l’emballement thermique ?

L’achat du matériau présentant la température la plus impressionnante ne prouve pas que la batterie résistera à la propagation thermique.

Définissez l’exposition réelle aux défaillances et validez la construction terminée. Tenez compte de la chimie des cellules, de l'emplacement de la barrière, de l'épaisseur disponible, de la compression, des performances diélectriques, de l'exposition aux flammes, de l'impact des particules et des matériaux adjacents.

UL Solutions note qu'un événement d'emballement thermique peut impliquer une température élevée, une pression, des flammes semblables à un jet et des particules éjectées capables d'éroder les matériaux de protection. Les tests UL 2596 ont été développés pour évaluer les performances des matériaux par rapport à ces risques combinés.^[4]

Vous comparez les barrières de batterie en mica, en aérogel et en céramique ?

Envoyez à Fuqiang votre format de cellule, l'emplacement de la barrière, l'épaisseur disponible, les exigences de compression et l'objectif de protection thermique. Notre équipe d'ingénierie peut examiner les options de matériaux découpés et préparer des échantillons de prototypes pour la validation des batteries.

FAQ

L'aérogel est-il meilleur que le mica pour les batteries EV ?

Pas universellement. L'aérogel est particulièrement utile pour les fines barrières thermiques de cellule à cellule, tandis que le mica peut être avantageux lorsque l'isolation électrique, la stabilité structurelle et la protection contre les hautes températures sont des priorités.

Quelle est une alternative à la feuille de mica pour l’isolation des batteries ?

Selon l'application, les alternatives peuvent inclure des barrières d'aérogel, des composites de silicone céramifiables et d'autres systèmes d'isolation à base de céramique. Le remplacement doit être sélectionné en fonction de la fonction plutôt que de l'épaisseur uniquement.

Une barrière thermique peut-elle empêcher l’emballement thermique de la batterie ?

Une barrière n’arrête pas la défaillance électrochimique à l’intérieur de la cellule initiatrice. Son rôle est de réduire la chaleur et les autres voies de propagation afin que les cellules voisines soient moins susceptibles d'entrer dans un emballement thermique.

Quel est le meilleur matériau pour la protection contre l’emballement thermique de cellule à cellule ?

Il n’existe pas de meilleur matériau universel. La chimie cellulaire, l'espace disponible, la compression, l'exposition thermique et l'architecture du pack déterminent la barrière appropriée.

Le mica et l’aérogel peuvent-ils être utilisés dans la même batterie ?

Oui. Un pack peut utiliser de l'aérogel entre les cellules et le mica ou tout autre isolant haute température au niveau des emplacements des modules, des jeux de barres ou des boîtiers lorsque les exigences techniques justifient une stratégie de matériaux hybrides.

Une perspective de 15 ans sur les faisceaux de câbles automobiles et l'isolation des véhicules électriques

Après 15 ans de travail sur les faisceaux de câbles automobiles et l'isolation électrique des véhicules électriques, j'ai appris que la protection contre l'emballement thermique doit être conçue en fonction de l'emplacement et du mode de défaillance, et non en fonction de la réputation du matériau. Les packs de batteries les plus puissants utilisent souvent des matériaux différents pour la résistance thermique au niveau des cellules, l'isolation électrique HT et la protection incendie au niveau du pack.

Références faisant autorité

[1] Aspen Aerogels — Barrières thermiques PyroThin de cellule à cellule

[2] Aspen Aerogels — Tests de propagation thermique de cellule à cellule

[3] Saint-Gobain — Protection contre l'incendie et la propagation thermique des batteries de véhicules électriques

[4] Solutions UL — Évaluation de l'emballement thermique des boîtiers de batterie