Quale barriera termica è la migliore per le batterie dei veicoli elettrici: mica, aerogel o composito ceramico? 

La scelta di una barriera termica per la batteria di veicoli elettrici basata esclusivamente sulla temperatura massima può lasciare il pacco vulnerabile alla propagazione da cellula a cellula, ai getti di fiamma, all’erosione delle particelle o ai guasti elettrici.

Il materiale corretto dipende da dove è installata la barriera e da cosa deve fare durante il normale funzionamento della batteria e un evento termico. L'aerogel è particolarmente interessante per la sottile resistenza termica da cellula a cellula, la mica fornisce un robusto isolamento elettrico e alle alte temperature, mentre i materiali compositi ceramici possono fornire una forte protezione termica e antincendio nelle applicazioni a livello di modulo e pacchetto.

Non esiste quindi un vincitore universale nel confronto tra aerogel e mica . Un ingegnere della batteria dovrebbe innanzitutto definire l'esposizione termica, lo spessore, la compressione, i requisiti dielettrici e la posizione di installazione prima di selezionare il materiale.

In cosa differiscono le barriere in mica, aerogel e compositi ceramici?

La sostituzione di un materiale con un altro in base alla sola conduttività termica può risolvere un problema creando allo stesso tempo un problema di imballaggio, compressione o isolamento elettrico.

Confronta i materiali per funzione anziché per nome. L'aerogel può fornire un'elevata resistenza termica in uno spazio sottile da cellula a cellula; la mica è ampiamente adatta per l'isolamento elettrico e le barriere resistenti al fuoco; i compositi a base ceramica diventano attraenti laddove contano una forte esposizione termica e le prestazioni della barriera strutturale.

Quando l'aerogel è migliore della mica tra le celle della batteria?

L'uso di una barriera che conduce troppo calore attraverso uno stretto spazio tra le celle può consentire a una cella guasta di riscaldare quella vicina abbastanza velocemente da contribuire alla propagazione.

L'aerogel diventa particolarmente interessante laddove un'elevata resistenza termica deve adattarsi a uno spazio sottile da cellula a cellula. Le barriere commerciali in aerogel per veicoli elettrici possono anche essere progettate in base al comportamento di compressione in modo che il cuscinetto funzioni sia durante il normale rigonfiamento cellulare che durante un evento termico anomalo.^[1]

Aspen Aerogels ha riportato un esempio di mini-modulo utilizzando due celle prismatiche da 62 Ah con una barriera PyroThin da 2,35 mm a una tensione di circa il 50%. La cella adiacente non è entrata in fuga termica in quel test specifico, anche se Aspen nota esplicitamente che la configurazione ha isolato alcuni percorsi di propagazione secondari presenti in un pacchetto completo.^[2]

Questo risultato non dovrebbe essere convertito in una 'regola dell'aerogel da 2,35 mm' universale. La chimica delle cellule, l'energia, la spaziatura, i meccanismi di compressione e propagazione differiscono in base al design della batteria.

Quando sono scelte migliori la mica e i compositi ceramici?

Utilizzando ovunque un materiale di compressione cellulare morbida è possibile lasciare le sbarre collettrici, i confini dei moduli o le coperture dei pacchi senza la barriera elettrica o strutturale di cui hanno bisogno.

Utilizzare mica o materiali compositi ceramici laddove il progetto necessita di isolamento elettrico ad alta temperatura, resistenza al fuoco o una barriera strutturalmente più stabile. La mica può essere particolarmente utile attorno a conduttori ad alta tensione, sbarre collettrici, strutture di moduli e isolamento a livello di pacco.

I compositi siliconici ceramificabili forniscono un’altra strada. Saint-Gobain, ad esempio, elenca prodotti siliconici ceramificabili per cuscinetti di fuga termica da cellula a cellula e protezione del pacco, dimostrando che un sistema di formatura della ceramica può combinare la flessibilità durante l’assemblaggio con una barriera protettiva durante una forte esposizione al calore.^[3]

Come scegliere una barriera termica contro la fuga?

L'acquisto del materiale con la temperatura più elevata non dimostra che la batteria resisterà alla propagazione termica.

Definire l'effettiva esposizione al guasto e convalidare la costruzione finita. Considerare la chimica delle cellule, la posizione della barriera, lo spessore disponibile, la compressione, le prestazioni dielettriche, l'esposizione alla fiamma, l'impatto delle particelle e i materiali adiacenti.

UL Solutions rileva che un evento di fuga termica può comportare alta temperatura, pressione, fiamme simili a getti e particelle espulse in grado di erodere i materiali protettivi. I test UL 2596 sono stati sviluppati per valutare le prestazioni dei materiali rispetto a questi rischi combinati.^[4]

Confronto tra barriere per batterie in mica, aerogel e ceramica?

Invia a Fuqiang il formato della cella, la posizione della barriera, lo spessore disponibile, i requisiti di compressione e l'obiettivo di protezione termica. Il nostro team di ingegneri può esaminare le opzioni dei materiali fustellati e preparare campioni di prototipi per la convalida del pacco batteria.

Domande frequenti

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

Non universalmente. L'aerogel è particolarmente utile per sottili barriere termiche da cellula a cellula, mentre la mica può essere vantaggiosa laddove l'isolamento elettrico, la stabilità strutturale e la protezione dalle alte temperature sono priorità.

Qual è un'alternativa al foglio di mica per l'isolamento della batteria?

A seconda dell’applicazione, le alternative possono includere barriere in aerogel, compositi siliconici ceramificabili e altri sistemi isolanti a base ceramica. La sostituzione deve essere selezionata in base alla funzione piuttosto che solo allo spessore.

Può una barriera termica arrestare la fuga termica della batteria?

Una barriera non ferma il guasto elettrochimico all'interno della cella iniziante. Il suo ruolo è quello di ridurre il calore e altri percorsi di propagazione in modo che le cellule vicine abbiano meno probabilità di entrare in fuga termica.

Qual è il materiale migliore per la protezione termica da cellula a cellula?

Non esiste un materiale migliore universale. La chimica cellulare, lo spazio disponibile, la compressione, l'esposizione termica e l'architettura del pacco determinano la barriera appropriata.

È possibile utilizzare mica e aerogel nello stesso pacco batteria?

SÌ. Un pacchetto può utilizzare aerogel tra le celle e mica o altro isolamento ad alta temperatura in corrispondenza di moduli, sbarre collettrici o custodie quando i requisiti ingegneristici giustificano una strategia di materiali ibridi.

Una prospettiva di 15 anni di cablaggi automobilistici e isolamento per veicoli elettrici

Dopo 15 anni di lavoro sui cablaggi automobilistici e sull'isolamento elettrico dei veicoli elettrici, ho imparato che la protezione contro l'instabilità termica dovrebbe essere progettata in base alla posizione e alla modalità di guasto, non in base alla reputazione del materiale. I pacchi batteria più potenti spesso utilizzano materiali diversi per la resistenza termica a livello di cella, l'isolamento elettrico ad alta tensione e la protezione antincendio a livello di pacco.

Riferimenti autorevoli

[1] Aerogel Aspen: barriere termiche di fuga termica cellula-cellula PyroThin

[2] Aspen Aerogel: test di propagazione termica da cellula a cellula

[3] Saint-Gobain — Protezione antincendio e propagazione termica delle batterie dei veicoli elettrici

[4] Soluzioni UL: valutazione dell'instabilità termica degli involucri delle batterie