Materiali a cambiamento di fase per il litio

Negli ultimi anni le batterie agli ioni di litio sono diventate sempre più popolari nei veicoli elettrici, ma le loro prestazioni sono fortemente influenzate dalla temperatura. Il caldo o il freddo estremi possono comportare una significativa perdita di capacità e comportare rischi per la sicurezza. Le batterie agli ioni di litio ad alta densità di energia generano una notevole quantità di calore. È fondamentale dissiparlo in modo efficace per garantire la stabilità della batteria, la longevità e la sicurezza del veicolo. L’implementazione di un sistema di gestione termica della batteria (BTMS) svolge un ruolo fondamentale nel raggiungimento di questi obiettivi. Lo scopo principale di un BTMS è regolare la temperatura delle celle della batteria, migliorando così la durata complessiva del sistema batteria.

Questo articolo di Srinivas Burla, Project Manager (batteria e gruppo propulsore) presso PURE EV, discute i tipi di sistemi di gestione termica della batteria e i vantaggi derivanti dall'utilizzo di materiali a cambiamento di fase per il raffreddamento della batteria.

In un BTMS vengono utilizzate varie tecniche, compreso l'uso di superfici estese, raffreddamento ad immersione, piastre fredde, raffreddatori termoelettrici, materiali a cambiamento di fase, cuscinetti in silicone e materiali di incapsulamento.I BTMS possono essere classificati in due tipologie principali:

Metodi attivi: Questi metodi si basano su fonti di alimentazione esterne per facilitare il loro funzionamento. Incorporano meccanismi integrati per il riscaldamento e/o il raffreddamento.

Metodi passivi: Il BTMS passivo non richiede alcuna alimentazione esterna per il suo funzionamento. Utilizza l'ambiente ambientale per dissipare il calore. Poiché non necessitano di alcuna fonte di alimentazione esterna, sono i metodi più ricercati nel campo dello sviluppo di un sistema di gestione termica. Questi metodi hanno anche il vantaggio di essere compatti, meno complessi, sicuri, economici e con cicli di vita migliorati.

I PCM o i materiali a cambiamento di fase potrebbero assorbire una grande quantità di calore senza eccessivi cambiamenti di temperatura durante il cambiamento di fase solido-liquido.I sistemi di gestione termica passiva possono controllare la temperatura della batteria in modo uniforme all'interno della temperatura di cambiamento di fase, anche senza consumare energia aggiuntiva.I parametri da considerare quando si utilizzano materiali a cambiamento di fase in un pacco batteria sono i seguenti:

Conduttività termica:L'elevata conduttività termica consente una migliore dissipazione e distribuzione del calore, facilitando il trasferimento del calore lontano dalle celle della batteria.

Temperatura di fusione: L'intervallo della temperatura di fusione è in linea con l'intervallo della temperatura operativa desiderata del pacco batteria. Assorbe calore dalla batteria quando supera la temperatura di fusione e rilascia calore quando si solidifica.

Calore latente: L'elevato calore latente di fusione è la quantità di energia assorbita o rilasciata durante il processo di cambiamento di fase. L'elevato calore latente consente al PCM di assorbire o rilasciare più energia termica, controllando così efficacemente la temperatura del pacco batteria.

Stabilità del ciclo: Il PCM dovrebbe essere stabile su più cicli di riscaldamento e raffreddamento per garantire affidabilità a lungo termine. Dovrebbe essere in grado di subire ripetute transizioni di fase senza alcun degrado significativo o cambiamenti nelle sue proprietà termiche.

Compatibilità: Il PCM deve essere chimicamente compatibile con i componenti e i materiali del pacco batteria per evitare reazioni avverse o problemi di prestazioni. Non dovrebbe causare corrosione o deterioramento delle celle della batteria o di altri componenti.

Densità:Una densità più elevata immagazzina più calore in un dato volume, il che è vantaggioso nelle applicazioni in cui lo spazio è limitato.

I materiali a cambiamento di fase possono essere classificati in varie classi e, tra queste, le cere di paraffina sono ampiamente utilizzate per la gestione termica in elettronica. Queste cere possiedono diverse proprietà vantaggiose, come un elevato calore di fusione rispetto al loro peso, un'ampia gamma di punti di fusione tra cui scegliere, capacità cicliche affidabili, non corrosività e inerzia chimica. Sono compatibili con la maggior parte dei metalli, il che li rende una scelta adatta. Un'altra caratteristica degna di nota è la loro capacità di immagazzinare una quantità significativa di calore latente e sono disponibili in un ampio spettro di temperature.