Nuevo materials LCP para aislamiento de módulos de batería

Nuevo materials LCP (Xydar® G-330 HH) para el aislamiento del módulo de batería

Diseñado para mitigar la fuga térmica, mejorar el aislamiento eléctrico y ahorrar espacio

Jiwen Wu, Nicolás Bataley, Brian Baleno

Los vehículos eléctricos de batería (BEV) de próxima generación se están lanzando con voltajes mucho más altos que muchos de los sistemas actuales de 400 voltios en el mercado precise. Impulsados ​​por la necesidad de aumentar el alcance y permitir la carga rápida de corriente continua (CC), los fabricantes de automóviles están introduciendo sistemas de baterías que funcionan por encima de 800 voltios. La adición de más celdas de batería como parte del sistema basic de batería es un issue clave para aumentar la densidad de energía y el rendimiento de la batería.

Un resultado del aumento de la energía de la batería es una mayor corriente y voltajes más altos. Si bien permiten un mayor alcance y una carga rápida de CC, estos nuevos sistemas de baterías de alto voltaje plantean nuevos desafíos de diseño. Los ingenieros de baterías tienen en cuenta la seguridad del sistema de batería, que incluye eventos térmicos como la fuga y la propagación térmica.

Cuando la temperatura de una celda de batería aumenta demasiado, puede ocurrir un evento térmico comúnmente conocido como fuga térmica. Este resultado produce una reacción exotérmica en una celda de iones de litio que puede provocar la liberación de gases y partículas. La liberación de gases o partículas tiene el potencial de encenderse y extenderse a las otras celdas dentro del paquete de baterías. Los eventos de fuga térmica pueden representar un riesgo grave para quienes se encuentran dentro o alrededor de un BEV.

Para garantizar la seguridad de los consumidores, se están desarrollando nuevas leyes en países como China, Europa, Japón y Estados Unidos. Como resultado de la legislación, los ingenieros de baterías están trabajando para identificar materiales que resistan temperaturas (300 – 1000 °C) durante un período de tiempo determinado (5 minutos o más) que permita a los pasajeros salir del vehículo de forma segura. Los diseñadores de baterías buscan soluciones de materiales que puedan mitigar la fuga térmica en una variedad de componentes dentro del paquete, como el aislamiento, como se muestra en la Figura 1 a continuación:

Figura 1: Comparación del materials de la placa de aislamiento del módulo de batería

Selección del materials de aislamiento de la batería

Existen múltiples requisitos que los ingenieros de baterías tienen en cuenta al seleccionar un materials aislante para baterías. Algunas de las consideraciones de diseño incluyen aislamiento térmico, resistencia a las llamas, rendimiento eléctrico y espesor. Encontrar un materials adecuado para mitigar la fuga térmica comienza con la identificación de un materials que pueda inhibir la propagación térmica. Ese es un primer paso clave. Los materiales comúnmente utilizados para las placas de aislamiento térmico de módulos de batería varían desde policarbonato (PC) hasta poliimida (PI).

Materiales como PC o PI tenían diferentes formas y diferentes métodos de ensamblaje. Por ejemplo, se pueden pegar láminas de PC en el inside de la placa terminal metálica. Este es el caso de muchos de los diseños de celdas prismáticas. Una función principal del aislante es aumentar la eficiencia de la batería evitando la pérdida de calor. Uno de los mayores problemas técnicos con las películas para PC es que la PC se derrite en unos pocos minutos a las altas temperaturas (> 300 °C) que se observan durante un evento de descontrol térmico. Una vez que la PC se derrite, es possible que provoque degradación y carbonización. Estos dos factores combinados podrían provocar un cortocircuito en el módulo o incluso en toda la batería. Más allá del PC y el PI, existen otros materiales como epoxis y aerogeles que también tienen sus propias limitaciones.

Los ingenieros se enfrentan a una amplia gama de materiales para seleccionar con marcas comerciales que se presentan cuando se necesita tener una alta estabilidad térmica a temperaturas superiores a los 300 °C. La Tabla 1 a continuación ofrece una descripción detallada de los materiales aislantes de módulos de batería existentes y compara las fortalezas y debilidades de cada materials.

Tabla 1: Comparación de diferentes tipos de materiales aislantes.

Estabilidad térmica

La Figura 2 a continuación muestra el análisis termogravimétrico (TGA) de dos aislantes de uso común, películas de PC y epoxis, así como un polímero de cristal líquido recientemente desarrollado por Solvay llamado Xydar® LCP. El TGA se completó con equipos TA Q50. El protocolo de prueba comenzó con un equilibrio a 50 °C seguido de una rampa de 20 °C/min hasta alcanzar una temperatura de 800 °C. Los resultados a continuación resaltan cómo Xydar® LCP mantuvo la estabilidad térmica hasta 544 °C, mientras que el PC se limitó a 448 °C y 338 °C para el epoxi.

Figura 2: Comparación de materiales de propagación térmica

Envejecimiento Térmico

La regulación está generando nuevos requisitos de materiales para abordar el desafío del descontrol térmico de las baterías. Como resultado, muchos proveedores de materiales están probando sus materiales en estas duras condiciones de temperatura. Una de las nuevas pruebas es la necesidad de evaluar la forma del materials así como las propiedades de aislamiento eléctrico después de una exposición al calor a 400 °C durante 30 minutos. Figuras 4A y 4B Película de PC extruida y Xydar® LCP moldeado por inyección antes y después de la exposición al calor. La Figura 4B destaca cómo Xydar® LCP G-330 puede mantener su forma (la forma está intacta) mientras la película de PC se descarboniza.

Figura 4A: Película de PC después de 400 °C durante 30 minutos

Figura 4B: Xydar® G-330 HH después de 400 °C durante 30 minutos

Retención de propiedades eléctricas después del envejecimiento térmico

Debido a que la película de PC se degrada completamente después de 30 minutos a 400 °C, no se pudo medir el aislamiento eléctrico. Aquí es donde el nuevo Xydar® LCP G-330HH todavía muestra un aislamiento eléctrico robusto. La resistencia de superficie y volumen se muestra en la Tabla 2 a continuación. Como se demuestra a continuación, Xydar® LCP G-330HH supera al epoxi relleno de vidrio en un orden de magnitud.

Xydar® LCP G-330HH conserva el aislamiento eléctrico incluso cuando el voltaje sube a 1000 V y 3000 V, pero la placa epoxi envejecida falla.

Tabla 2: Propiedades eléctricas de Xydar® G-330 después de 30 minutos a 400 °C bajo CC 500 V, 18 ℃ y 22 % de humedad relativa

En conclusión, los ingenieros de diseño de baterías tienen la tarea de identificar nuevas soluciones de materiales para abordar la fuga y la propagación térmica que surgen de la nueva legislación gubernamental world. Estos nuevos requisitos han llevado al desarrollo de Xydar® LCP G-330 HH. Este nuevo LCP fue diseñado para brindar múltiples beneficios sobre los materiales aislantes de módulos existentes, como películas de PC o GF Epoxy. Con un rendimiento de aislamiento eléctrico robusto tanto a temperatura ambiente como después de 30 minutos de exposición a 400 °C, Xydar® LCP es una solución novedosa para el aislamiento a nivel de módulo. Póngase en contacto con los expertos de Solvay si está interesado en más detalles sobre Xydar® LCP.

Jiwen Wu, Nicolás Bataley, Brian Baleno Solvay