Aerogel vs Mica: quale è meglio per la protezione termica della batteria dei veicoli elettrici?

La scelta della barriera termica sbagliata può consentire al calore proveniente da una cella agli ioni di litio guasta di raggiungere le celle adiacenti più velocemente, aumentando il rischio di propagazione incontrollata termica da cella a cella.

L'aerogel è generalmente migliore quando la priorità di progettazione è il massimo isolamento termico in uno strato sottile e leggero, mentre la mica è più resistente quando le priorità sono l'isolamento elettrico, la stabilità strutturale e le prestazioni di barriera alle alte temperature. In molti pacchi batteria per veicoli elettrici, la soluzione migliore non è scegliere un materiale universale, ma utilizzarne ciascuno laddove le sue proprietà risolvono uno specifico rischio termico ed elettrico.

Qual è la differenza principale tra aerogel e mica?

Trattare l'aerogel e la mica come materiali isolanti intercambiabili può comportare uno spessore, un peso, un costo non necessari o una protezione inadeguata nei punti critici all'interno del pacco batteria.

Selezionare l'aerogel principalmente per l'isolamento termico e la mica principalmente per robuste applicazioni di barriera termo-elettrica. La struttura altamente porosa dell'Aerogel sopprime il trasferimento di calore in modo estremamente efficace, mentre la mica fornisce eccellenti proprietà dielettriche e rimane dimensionalmente stabile a temperature severe.

La distinzione diventa particolarmente importante durante la fuga termica. UL Solutions rileva che gli eventi termici delle batterie dei veicoli elettrici possono comportare temperature estremamente elevate, fiamme, pressione e particelle espulse, il che significa che la selezione del materiale deve considerare più di un singolo valore di conducibilità termica.^[1]

L'Aerogel è migliore per la protezione termica da cellula a cellula?

Senza un isolamento sufficiente tra le celle strettamente ravvicinate, il calore rilasciato da una cella guasta può trasferirsi rapidamente alle celle vicine e contribuire alla propagazione attraverso il modulo.

Le barriere a base di aerogel sono particolarmente interessanti laddove gli ingegneri necessitano di una forte resistenza termica con spessore e peso minimi. La loro struttura porosa limita la conduzione del calore solido e gassoso, consentendo a barriere relativamente sottili di rallentare il trasferimento di calore tra superfici vicine.

Ciò rende l’aerogel particolarmente rilevante per le barriere cellula-cellula nei moduli ad alta densità di energia , dove ogni millimetro di spazio di imballaggio è importante.

Quando la mica è migliore dell'aerogel?

L'isolamento termico da solo potrebbe non essere sufficiente attorno a sbarre collettrici, collegamenti ad alta tensione, coperture di moduli e altri luoghi in cui l'isolamento elettrico e la stabilità meccanica sono ugualmente importanti.

La mica è spesso la scelta più efficace quando il componente deve fornire sia una barriera alle alte temperature che un isolamento dielettrico affidabile. Può essere trasformato in fogli e parti fustellate personalizzate per moduli, sbarre collettrici, involucri e strutture isolanti ad alta tensione.

Ciò rende la mica particolarmente utile vicino a sbarre ad alta tensione, connettori, interfacce elettriche, confini dei moduli e aree di protezione a livello di pacchetto.

Aerogel vs Mica: quale materiale offre prestazioni migliori?

La selezione di materiali da un'unica specifica come la temperatura massima può nascondere importanti differenze nella conduttività termica, nel comportamento alla compressione, nelle prestazioni dielettriche, nello spessore e nella durata meccanica.

Confronta i materiali in base alla loro effettiva funzione all'interno del pacco batteria anziché cercare un vincitore universale. Un separatore di celle ha requisiti molto diversi da quelli di una barriera per sbarre ad alta tensione o di un componente di isolamento dell'involucro.

È possibile utilizzare aerogel e mica insieme?

Forzare un materiale isolante a svolgere ogni funzione termica, elettrica e meccanica può creare un pacco batteria inefficiente e aumentare il costo del materiale senza migliorare la sicurezza.

Un’architettura di isolamento ibrida può utilizzare l’aerogel vicino alle celle e la mica attorno alle aree elettricamente o meccanicamente impegnative. Ciò consente agli ingegneri di utilizzare l’aerogel dove la resistenza termica per unità di spessore conta di più e la mica dove le prestazioni di barriera dielettrica e strutturale diventano critiche.

Ad esempio, un modulo batteria può utilizzare un composito di aerogel tra le celle mentre utilizza componenti di mica fustellati attorno a sbarre collettrici, connessioni ad alta tensione, coperture di moduli o interfacce di custodie.

Come dovrebbero gli ingegneri scegliere tra aerogel e mica?

La scelta di una barriera termica prima di comprendere la chimica della cella, il comportamento di propagazione, il gap disponibile, il carico di compressione, la tensione e i componenti circostanti può portare a costose riprogettazioni dopo il test del modulo.

Definire innanzitutto lo scenario di guasto, quindi selezionare il materiale e lo spessore in base alle prestazioni termiche, elettriche e meccaniche richieste. Le parti del prototipo dovrebbero infine essere convalidate ai livelli di cella, modulo e confezione pertinenti.

UL Solutions esegue test sulla propagazione termica delle batterie per veicoli elettrici dalla cella al livello del pacco e valuta l'efficacia delle barriere antipropagazione e dei materiali isolanti.^[2] SAE J2464 affronta anche i test di abuso delle batterie dei veicoli elettrici e ibridi in condizioni oltre il loro normale intervallo operativo.^[3]

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Fuqiang può supportare componenti di isolamento della batteria personalizzati in base alla cella, al modulo, al pacco, alla sbarra collettrice, al connettore e al layout del cablaggio ad alta tensione. Inviaci il tuo disegno, lo spessore richiesto, la temperatura operativa, la tensione e il luogo di installazione per la selezione del materiale o la valutazione del campione.

Domande frequenti

L'aerogel è migliore della mica per le batterie dei veicoli elettrici?

Non universalmente. L'aerogel è generalmente più resistente per l'isolamento termico ad alta efficienza, mentre la mica è particolarmente preziosa quando sono richiesti anche isolamento elettrico e prestazioni di barriera termica strutturale.

Dove viene utilizzato l’aerogel in un pacco batterie per veicoli elettrici?

I compositi aerogel sono comunemente considerati per posizioni con barriera termica stretta, come tra le celle della batteria o attorno ai moduli , dove limitare il trasferimento di calore è fondamentale.

Dove viene utilizzata la mica nelle batterie dei veicoli elettrici?

I componenti in mica possono essere utilizzati attorno a moduli, sbarre collettrici, collegamenti ad alta tensione, coperchi di batterie e interfacce di custodie che richiedono isolamento termico ed elettrico.

La mica può fermare la fuga termica della batteria?

La mica non impedisce la fuga termica elettrochimica che si verifica all'interno di una cella guasta. Può far parte di un sistema barriera progettato per ritardare la propagazione del calore e della fiamma ai componenti circostanti.

L’aerogel può prevenire completamente la propagazione dell’instabilità termica?

Non si dovrebbe presumere che alcun materiale impedisca completamente la propagazione senza una convalida a livello di sistema. Le prestazioni della barriera dipendono dalla struttura del materiale, dallo spessore, dalla chimica delle celle, dalla spaziatura, dalla compressione, dal flusso di calore, dallo sfiato e dall'architettura del pacco.

Prospettiva di 15 anni di cablaggio automobilistico

Dopo 15 anni di lavoro con i cablaggi automobilistici e i sistemi elettrici dei veicoli elettrici, considero l'isolamento della batteria come parte dell'architettura completa ad alta tensione, non come una decisione materiale isolata. L'aerogel può controllare il trasferimento di calore attorno alle celle, mentre la mica può fornire una solida separazione termica ed elettrica attorno a sbarre collettrici, connettori ad alta tensione e interfacce di cablaggio.

Il materiale migliore quindi non è semplicemente l’aerogel o la mica. Sono il materiale, lo spessore, la geometria e la posizione che corrispondono correttamente alla reale modalità di guasto della batteria.

Riferimenti autorevoli

[1] Soluzioni UL: valutazione BETR (Battery Enclosure Thermal Runaway).

[2] Soluzioni UL: test di utilizzo, incendio, termici e prestazionali delle batterie dei veicoli elettrici

[3] SAE International - Test di abuso delle batterie dei veicoli elettrici J2464