Fanglu Shi Sanzhong Liu Fucai Hua
(Centro Tecnologico, Fujian Supertech Advanced Materials Co., LTD., Xiamen, 361021)
Riassunto: I materiali isolanti sono componenti chiave indispensabili nei sistemi di gestione termica delle batterie. I pannelli isolanti sottovuoto speciali (VIP) hanno mostrato promettenti prospettive di applicazione nel migliorare le prestazioni dei sistemi batteria, grazie alle loro eccellenti proprietà di isolamento e resistenza al fuoco. Questo articolo introduce per la prima volta in modo sistematico i principali indicatori di prestazione dei VIP metallici e dei VIP ultrasottili, esegue test e analisi sulle performance di isolamento termico e sulle caratteristiche dinamiche di trasferimento del calore, e li confronta con i prodotti attuali in feltro di aerogel. Tali materiali vengono impiegati per l’isolamento dei pacchi batteria, migliorando significativamente l’adattabilità agli ambienti a bassa temperatura e la durata dei pacchi, oltre a limitare la propagazione del runaway termico della batteria. Allo stesso tempo, offrono un elevato rapporto qualità-prezzo. I risultati dimostrano che i nuovi tipi di prodotti isolanti sottovuoto speciali presentano ulteriori vantaggi nella progettazione integrata di dissipazione del calore, isolamento e prevenzione degli incendi per batterie e sistemi di accumulo energetico.
Parole chiave: Pannelli isolanti sottovuoto speciali; Conducibilità termica; Diffusività termica; Gestione termica delle batterie; Runaway termico
Profilo dell'autore: Fanglu Shi: (Date of Birth: July 12, 1962) Gender: Male Ethnicity: Han Native Place: Zhengning, Gansu Province Education: Master’s Degree Title: Senior Engineer Research Direction: Low-temperature Technology, Thermal Insulation Technology, Vacuum Technology and Its Application
0．IIntroduzione
L’avvento dei veicoli elettrici ad energia nuova ha affrontato efficacemente le problematiche energetiche e ambientali causate dai veicoli tradizionali. In quanto componente fondamentale dei veicoli elettrici, la durata e l’efficienza d’uso della batteria determinano le prestazioni complessive del veicolo. Tra i fattori che influenzano la vita utile della batteria, il più importante è la sua temperatura di funzionamento. Temperature eccessivamente elevate o troppo basse possono compromettere notevolmente le prestazioni della batteria: le basse temperature riducono l’efficienza di carica e scarica, mentre le alte temperature ne accorciano la vita utile. Se la temperatura sfugge al controllo, si possono verificare esplosioni e altri incidenti di sicurezza. Pertanto, garantire che la batteria operi entro un intervallo di temperatura sicuro rappresenta una priorità per l’intero settore.
In particolare, con l’aumento della densità energetica delle batterie, l’autonomia è migliorata rapidamente, ma la affidabilità e la sicurezza del prodotto sono diventate aspetti sempre più critici. Gli incidenti di sicurezza causati dal runaway termico delle batterie hanno ostacolato lo sviluppo dei veicoli ad energia nuova. Sebbene le batterie siano sottoposte a rigorosi test di sicurezza prima di lasciare lo stabilimento per assicurarne un utilizzo sicuro, ciò non riesce ancora a prevenire completamente gli incidenti di runaway termico.
Il principio di funzionamento delle batterie ad energia nuova consiste nell’erogare energia tramite reazioni elettrochimiche; pertanto, tali reazioni sono inevitabilmente strettamente correlate alla temperatura del sistema batteria. Molti ricercatori hanno condotto approfonditi studi di modellizzazione e simulazione sulle caratteristiche termiche delle batterie e sull’impatto della temperatura sulle prestazioni e sulla durata della batteria [1]. Ad esempio, Sato [2] e colleghi hanno dimostrato che, quando la temperatura della batteria supera i 50 °C, sia l’efficienza di scarica sia la vita utile diminuiscono significativamente; Khateeb [3] e collaboratori hanno evidenziato che, quando la temperatura del pacco batteria supera il range ottimale di funzionamento, la uniformità termica all’interno del pacco si deteriora, potendo così provocare runaway termico e incidenti di sicurezza legati agli incendi; Pesaran [4] e altri hanno proposto che la temperatura ottimale di funzionamento della batteria dovrebbe essere mantenuta tra 25 e 40 °C. Di conseguenza, sviluppare tecnologie efficienti di dissipazione/isolamento termico e costruire un sistema di gestione termica della batteria in grado di mantenere la batteria entro un intervallo di temperatura adeguato risulta essenziale per garantirne il corretto funzionamento e prevenire incidenti di sicurezza.
La tecnologia di gestione termica delle batterie può essere classificata in tecnologia passiva e tecnologia attiva, a seconda che venga consumata energia aggiuntiva o meno. In base alle differenze nei mezzi di trasferimento del calore e ai metodi di scambio termico, la gestione termica può essere ulteriormente suddivisa nelle modalità di raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido, utilizzo di materiali a cambiamento di fase (PCM) e tubi di calore.
La gestione termica delle batterie non comprende soltanto il controllo della temperatura del pacco batteria, ma anche l’isolamento e la dissipazione del calore tra le celle. Il primo aspetto è più legato alla qualità operativa del sistema batteria e all’efficienza energetica, mentre il secondo riguarda principalmente il fenomeno del runaway termico e la propagazione della temperatura all’interno della batteria, elementi strettamente connessi alla sicurezza. Per quanto riguarda la ricerca sulle tecnologie di gestione termica delle batterie al litio, nella letteratura sono stati ampiamente riportati diversi metodi di raffreddamento e scambio termico [5]; tuttavia, esistono pochi studi sull’analisi delle caratteristiche dei materiali isolanti impiegati nella gestione termica. In realtà, i materiali isolanti svolgono un ruolo estremamente importante nella gestione termica delle batterie, e gli indicatori di maggiore interesse variano a seconda dell’applicazione. Scegliere il materiale isolante adeguato risulta fondamentale per migliorare il livello complessivo della gestione termica [6]. Inoltre, il rapido sviluppo delle tecnologie delle batterie ad energia nuova ha reso ancora più urgente la ricerca di nuovi materiali isolanti o di nuove strutture isolanti, ponendo al contempo nuove esigenze:
(1) Il runaway termico nelle batterie di potenza, causato da abusi elettrici, abusi meccanici, cortocircuiti, ecc., può liberare una grande quantità di calore in un tempo molto breve. I materiali isolanti convenzionali e le soluzioni di raffreddamento a liquido non riescono a risolvere completamente questo problema.
(2) I veicoli tradizionali sfruttano il calore di scarto per garantire un ambiente confortevole nell’abitacolo senza consumare ulteriore energia, mentre la gestione termica dei veicoli ad energia nuova richiede sostanzialmente l’utilizzo dell’energia propria della batteria per mantenerne la temperatura. Pertanto, risulta particolarmente necessario lo sviluppo di materiali isolanti altamente efficienti, in particolare quelli con una conducibilità termica estremamente bassa.
(3) Poiché le richieste del mercato in termini di densità energetica delle batterie di potenza continuano ad aumentare, una possibile soluzione consiste nell’impiegare materiali isolanti migliori per incrementare il numero di celle nel pacco batteria, aumentando così la densità energetica e l’autonomia, oppure ridurre il volume del pacco batteria per ampliare lo spazio interno e assicurare una guida più confortevole.
(4) Affinché i veicoli ad energia nuova possano adattarsi a diverse condizioni ambientali, soprattutto durante i freddi inverni del Nord, quando le temperature esterne scendono spesso sotto i -10 °C, risulta difficile mantenere, a veicolo fermo, il normale intervallo di temperatura richiesto dalle batterie di potenza. Ciò può comportare una diminuzione della capacità e della durata della batteria. Di conseguenza, il sistema batteria deve adottare misure affidabili ed efficienti di conservazione del calore.
(5) In risposta ai problemi di sicurezza emersi dai veicoli elettrici, i ministeri e le commissioni competenti hanno emanato successivamente numerosi standard nazionali obbligatori [7-9], rafforzando ulteriormente i requisiti di sicurezza e stabilendo chiaramente che il sistema batteria non deve incendiarsi né esplodere entro “5 minuti” dal verificarsi del runaway termico, offrendo così un prezioso margine di tempo per l’evacuazione degli occupanti. Qualsiasi soluzione al problema del runaway termico non può prescindere da eccellenti materiali isolanti dal punto di vista termico.
1．Materiali comuni di isolamento termico per la gestione termica delle batterie
Attualmente, i materiali comunemente utilizzati nelle batterie di alimentazione, tra cui schiuma, fibre, feltro di aerogel e pannelli isolanti sottovuoto speciali (VIP), così come metalli ultra-sottili, presentano ciascuno vantaggi e svantaggi. Come materiali isolanti termici, il principale indicatore di prestazione è il coefficiente di conducibilità termica; la figura (1) mostra le differenze del coefficiente di conducibilità termica dei quattro tipi di materiale isolante più comuni. A parità di effetto isolante, si riscontrano anche differenze nello spessore necessario per ottenere tale isolamento. Le schiume e le fibre offrono prestazioni isolanti relativamente scarse e risultano difficili da installare, ma sono caratterizzate da costi contenuti. Il feltro composito di aerogel viene realizzato combinando una nuova tipologia di nanopolvere di aerogel con fibre; il prodotto presenta una bassa conducibilità termica e uno spessore pari solo a 1/2–1/5 di quello dei materiali tradizionali. Inoltre, possiede un’eccellente resistenza alle temperature, un ampio intervallo operativo (-196–1000 °C) e prestazioni stabili. Questo prodotto è stato impiegato nei sistemi di gestione termica delle batterie ad energia nuova [20]. Tuttavia, il feltro di aerogel, pur offrendo prestazioni eccellenti, risulta piuttosto costoso. Con l’aumento ulteriore dei requisiti di prestazione degli impianti di gestione termica, il miglioramento delle sue caratteristiche si trova ad affrontare nuove sfide.
Figura 1. Prestazioni isolanti termiche di quattro tipologie di materiali isolanti
Il prodotto pannello isolante sottovuoto (VIP) è illustrato nella Figura (2). Si tratta di una nuova generazione di materiali altamente efficienti per l’isolamento termico. Il materiale centrale è costituito da fibre o polveri, mentre un film di rivestimento ad alta barriera garantisce l’ermeticità del vuoto. L’efficace isolamento della conduzione termica dei gas mediante evacuazione dell’aria consente di ottenere un ottimo isolamento termico. Il prodotto presenta un coefficiente di conducibilità termica estremamente basso; la struttura isolante è compatta, con uno spessore pari soltanto a 1/8–1/10 di quello dei materiali tradizionali. Inoltre, non assorbe acqua ed è resistente alla corrosione acida e alcalina. Questo prodotto è stato ampiamente impiegato in elettrodomestici, nell’industria chimica e nei settori delle energie rinnovabili. Le caratteristiche di bassa conducibilità termica e di ridotto coefficiente di diffusione della temperatura proprie dei VIP speciali offrono opportunità per la progettazione compatta delle batterie ad energia nuova, garantendo una sicurezza ulteriormente migliorata.
Figura 2. pannello isolante sottovuoto（VIP）
2．Prestazioni e caratteristiche di trasferimento termico dei VIP metallici e dei VIP ultra-sottili
2.1 Struttura e prestazioni isolanti termiche dei VIP metallici
I VIP metallici utilizzano fogli di alluminio o di acciaio inox come materiale di rivestimento, mentre come materiale centrale impiegano fibre di basalto, ossido di silice ad alta purezza, ecc.; dopo l’evacuazione del vuoto, vengono sigillati mediante saldatura. Questo prodotto si contraddistingue per la resistenza alle alte e basse temperature, la bassa conducibilità termica, prestazioni stabili, la resistenza alla perforazione e la classe A di resistenza al fuoco, oltre a essere incombustibile. È un altro materiale isolante termico ad alta efficienza, oltre alle fibre di silice ad alta purezza e al feltro di aerogel. I suoi principali indicatori sono riportati nella Tabella (1).
| Tabella 1. Principali indicatori di prestazione dei VIP metallici | |
| Conducibilità termica centrale (25℃) | ＜3 mw/（m·k） |
| Peso per grammo (spessore 1,5 mm) | 1,3-2,0 kg/m2 |
| ITest integrale del tasso di perdita | ≤10-10Pa.m3/s |
| Intervallo di temperatura applicabile | -253-1000℃ |
(a) Apparecchiatura per la prova di risposta termica b) Schema del principio di prova
Figura 3. Dispositivo di prova della risposta alla temperatura
Per valutare le caratteristiche non stazionarie del processo di trasferimento termico nell’ampio intervallo di temperature dei VIP metallici, sono state misurate le risposte termiche delle superfici fredda e calda utilizzando l’apparato di test mostrato nella Figura (3). Quando la superficie calda (superficie riscaldante) viene mantenuta a temperature elevate di 200 °C, 400 °C e 600 °C, la temperatura della superficie fredda aumenta gradualmente nel tempo, come mostrato nella Figura (4), raggiungendo rispettivamente 23,4 °C, 26,8 °C e 123,1 °C. Al di sotto dei 400 °C, la temperatura della superficie fredda rimane quasi uguale a quella ambiente. Persino a una temperatura elevata di 600 °C, il VIP metallico dimostra ancora eccellenti prestazioni isolanti: la temperatura del lato freddo è di soli 123,1 °C, con una differenza termica tra i due lati che raggiunge i 476,9 °C. Il VIP metallico, spesso 8 mm, offre prestazioni isolanti eccezionali in un ampio intervallo di temperature.
Figura 4. Curva di risposta alla temperatura della superficie fredda del campione
L’interno del VIP metallico è riempito con materiali di base resistenti alle alte temperature e sottovuoto, mostrando un eccellente rendimento di isolamento termico nella direzione perpendicolare al VIP metallico. Il materiale di rivestimento esterno è costituito da una lamina d’acciaio inossidabile. Il processo di trasferimento del calore di questa particolare struttura “dissipazione – isolamento – dissipazione” del VIP metallico presenta caratteristiche di trasmissione bidimensionale del calore, come illustrato nella Figura (5). Dai risultati dell’immagine termica (Figura 6) si può osservare che la temperatura superficiale del VIP metallico si diffonde rapidamente e diminuisce in tutte le direzioni, con la zona di riscaldamento come centro. Esso offre un buon effetto di dissipazione del calore nella direzione parallela alla superficie della piastra. Se il materiale di rivestimento viene scelto tra quelli ad alta conducibilità termica, come la lamina di alluminio, e collegato al sistema di dissipazione termica, grazie al buon isolamento termico nella direzione perpendicolare alla superficie della piastra, il trasferimento di calore tra le celle della batteria risulta notevolmente ridotto. Ciò ritarda significativamente la diffusione della temperatura, permettendo di smaltire efficacemente il calore accumulato lungo la direzione parallela alla superficie della piastra e di convogliarlo verso il sistema di dissipazione termica, oppure di ridurre in modo efficace il carico termico, ottenendo così un ottimo controllo termico della batteria.
Figura 5. Trasferimento di calore bidimensionale Figura 6. Immagine termica del campione Schema del VIP metallico
2.2 Eccellente prestazione di isolamento termico e alto rapporto qualità-prezzo
Il test comparativo della risposta della temperatura sul lato freddo di un VIP metallico spesso 8 mm e di un feltro di aerogel spesso 9 mm, aventi la stessa lunghezza e larghezza, nelle condizioni di 400 °C e 600 °C sul lato caldo, è riportato nella Figura (7). Rispetto al feltro di aerogel, la temperatura sul lato freddo del VIP metallico risulta significativamente più bassa, con differenze rispettivamente pari a 148,4 °C e 204,8 °C. Durante il rapido riscaldamento (processo non stazionario), in cui la superficie calda viene continuamente riscaldata dalla temperatura ambiente fino a 200 °C e 400 °C, anche la temperatura della superficie fredda del VIP metallico mostra differenze marcate rispetto a quella del feltro di aerogel. Le risposte termiche dei lati freddo e caldo sono illustrate nella Figura (8). Pertanto, grazie alla minore conducibilità termica o al coefficiente di diffusione termica del VIP metallico, la velocità di propagazione o diffusione della temperatura risulta notevolmente rallentata, garantendo un tempo di fuga sicuro più lungo in caso di runaway termico della batteria oppure riducendo drasticamente il carico termico del sistema di raffreddamento della gestione termica. Per le batterie al litio ternarie, la temperatura massima di runaway termico delle celle può raggiungere i 700–800 °C. Attualmente, nell’industria, si utilizzano generalmente tamponi di aerogel dello spessore di 2,5 mm per isolare il fenomeno del runaway termico (richiedendo che la temperatura delle celle adiacenti sia mantenuta entro 200 °C). L’impiego del VIP metallico consente di ridurre efficacemente lo spessore dell’aerogel, liberando così più spazio e peso per il sistema batteria. La Tabella 2 confronta e calcola i principali parametri di due metodi di isolamento, il feltro di aerogel e il VIP metallico, per pacchi batteria di dimensioni specifiche. A parte un aumento complessivo del peso, la resistenza termica del VIP metallico è cinque volte superiore a quella del feltro di aerogel, mentre lo spessore risulta notevolmente ridotto, evidenziando un elevato rapporto qualità-prezzo.
Figura 7. Curve di risposta termica del lato freddo del VIP metallico e del feltro di aerogel
Figura 8. Curve di risposta termica dei lati freddo/caldo del VIP metallico e del feltro di aerogel
Tabella 2. Rapporto costo-efficacia di due metodi di isolamento per batterie al litio ternarie
| TLB
|
Dimensioni（mm） | Spessore（mm） | Quantità
(pcs） |
Prezzo
（RMB/m2） |
Peso lordo.
（kg/m2） |
Resistenza termica（m2.k/w) |
| Feltro di aerogel | 205*98 | 2.5 | 216.0 | 169 | 1.7 | 0.1 |
| VIP in metallo | 205*98 | 1.5 | 216.0 | 160 | 1.4 | 0.5 |
2.3 VIP ultra-sottile per l’isolamento dei pacchi batteria
Un gran numero di esperimenti ha dimostrato che la temperatura di funzionamento dei pacchi batteria è significativamente correlata al tasso di conservazione della capacità di scarica. Come mostrato nella Figura (9), si tratta del grafico dell’andamento del tasso di conservazione della capacità di scarica in funzione della temperatura per le principali batterie al litio‑fosfato di ferro presenti sul mercato. Al diminuire della temperatura, la capacità di scarica tende a ridursi. Sotto i -5℃, la capacità di scarica cala bruscamente e, a -20℃, si riduce di quasi il 25%. Questo rappresenta anche una delle ragioni fondamentali per cui l’autonomia dei veicoli a nuova energia diminuisce notevolmente nelle condizioni invernali a basse temperature. Allo stesso tempo, ciò risolve il problema degli utenti del Nord che lamentano tempi di ricarica rapida molto lunghi durante l’inverno. Pertanto, l’isolamento complessivo del pacco batteria risulta cruciale per prolungare la vita utile della batteria, migliorare l’efficienza di ricarica e l’esperienza d’uso.
Figura 9. Relazione tra il tasso di conservazione della capacità di scarica del pacco batteria e la temperatura
Isolamento sottovuoto ultra‑sottile VIP, con uno spessore di soli 1–5 mm. Il prodotto offre eccellenti proprietà di isolamento termico e di ammortizzazione ed è stato sottoposto a una serie di test e verifiche richieste dall’industria delle nuove energie. In particolare, è stato effettuato il test di affidabilità ambientale “Doppio 85” secondo lo standard GB/T 2423.50. Nelle condizioni di temperatura ambiente di 85±2℃ e umidità relativa di 85±5%RH, il prodotto è stato sottoposto a un test di invecchiamento di 1000 ore; la sua conducibilità termica è rimasta inferiore a 8 mW/(m·K), attestando così la sua capacità a lungo termine di resistere alla penetrazione dell’umidità e la stabilità delle sue prestazioni termiche. I principali indicatori di performance sono riportati nella Tabella 3. I prodotti di serie sono stati impiegati in ambiti quali l’isolamento termico e la protezione dei pacchi batteria al litio ad uso energetico.
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Tabella 3. Principali indicatori di performance dell’ultra‑sottile VIP |
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| Conducibilità termica iniziale | 3,5 mw/（m·k） |
| Test di affidabilità “Doppio 85” Conducibilità termica dopo 1000 ore | ≤ 8 mw/（m·k） |
| Spruzzo di sale di acido acetico su rame
La variazione della conducibilità termica dopo 240 ore |
＜ 2 mw/（m·k） |
| tensione di resistenza | 3800 VDC, perdita <1 mA |
| IIsolamento | 5000 MΩ, 1000VDC |
Un determinato marchio di pacco batteria utilizza, rispettivamente, la stessa schiuma isolante dello spessore di 3 mm e l’ultra‑sottile (Yinlin ultrathin™) VIP per l’isolamento. A una temperatura iniziale di 25℃, il pacco viene collocato in un ambiente a bassa temperatura di -20℃. In condizioni di convezione naturale, la temperatura del pacco batteria isolato con schiuma scende fino a 0℃ in circa 3,5 ore. Al contrario, il pacco batteria dotato di Yinlin ultrathin™‑VIP impiega circa 10 ore per raggiungere la stessa temperatura di 0℃. La curva di raffreddamento è riportata nella Figura 10; il tempo di mantenimento del calore risulta più che triplicato, migliorando significativamente l’adattabilità del pacco batteria agli ambienti a basse temperature e la sua durata complessiva.
Figura 10. Curva di raffreddamento del pacco batteria
- 3.Riguardo alla conducibilità termica e alla diffusività termica dei materiali
L’isolamento dei pacchi batteria e la gestione termica tra le celle nelle batterie per nuove energie coinvolgono due processi di trasferimento del calore completamente diversi: il regime stazionario e quello non stazionario. Pertanto, i parametri fisici di interesse sono significativamente differenti. Come accennato in precedenza, il primo riguarda la conservazione dell’energia, mentre il secondo riguarda la sicurezza. Per il controllo della temperatura nei pacchi batteria, il materiale isolante e il pacco batteria operano principalmente in un regime di trasferimento del calore stazionario o quasi stazionario. Il processo di trasferimento del calore è generalmente descritto dall’equazione di Fourier, e il parametro caratteristico coinvolto è il valore della conducibilità termica k (Thermal Conductivity), ovvero la capacità di trasferire il calore sotto una determinata distribuzione di temperatura. Il controllo della temperatura tra le celle delle batterie per nuove energie, in particolare durante il fenomeno del runaway termico, rientra invece nel trasferimento di calore non stazionario, concentrandosi sui cambiamenti dinamici della temperatura. Questo viene solitamente caratterizzato dal valore della diffusività termica a oppure dal coefficiente di conducibilità termica. Il suo significato fisico indica la capacità di ciascuna parte di un oggetto di tendere a una temperatura uniforme durante processi di riscaldamento o raffreddamento (rapidi). Viene così evidenziata l’inerzia termica dell’oggetto: più basso è il coefficiente di diffusività termica, maggiore è l’inerzia termica e più lentamente l’oggetto raggiunge lo stato di equilibrio termico. In particolare, la diffusività termica (a=k/ρ×Cp) riflette la relazione complessiva tra la capacità di conduzione del calore (k) del materiale durante il processo di conduzione e la capacità di accumulo del calore (ρ×Cp) delle sostanze lungo il percorso. La diffusività termica varia notevolmente tra i diversi materiali: ad esempio, il legno presenta una diffusività termica di 1,5×10⁻⁷ m²/s, mentre l’alluminio ha una diffusività termica di 9,5×10⁻⁵ m²/s. In generale, più bassa è la conducibilità termica, maggiore è la densità e minore risulta la diffusività termica, con conseguente aumento dell’inerzia termica del materiale. Tabella 4: si riporta l’intervallo di diffusività termica dei vari materiali. È evidente che i VIP metallici possiedono una grande inerzia termica e risultano particolarmente adatti ai sistemi di gestione termica tra le celle delle batterie.
| Tabella 4. Conducibilità termica e diffusività termica di vari materiali a temperatura ambiente | ||
| Materiale | Conducibilità termica Coefficiente di conducibilità termica
（w/m·k） |
Diffusività termica
（10-6 m2/s） |
| Metallo | 4-420 | 3-165 |
| Gas | 0.01-0.20 | 15-165 |
| Non metallici (con poche eccezioni) | 0.17-70 | 0.1-1.6 |
| Liquido (non metallico)) | 0.05-0.68 | 0.08-0.16 |
| Materiale comune per l'isolamento termico | 0.04-0.12 | 0.16-1.6 |
| AAerogel Feltro | 0.016-0.025 | 0.05-0.08 |
| Metallo VIP | 0.003-0.010 | ＜0,01 |
Inoltre, attualmente i test sulle prestazioni termiche dei VIP ultra-sottili destinati alla gestione termica delle batterie si concentrano ancora principalmente sulla misurazione del valore centrale della conducibilità termica k. La maggior parte degli strumenti di misura si basa su norme nazionali come GB/T 10295, GB/T 10294 e GB/T 39704, oppure su standard internazionali quali ISO 8301 o ASTM C518. In altre parole, calcolare il valore di k tramite l’equazione di Fourier relativa al trasferimento di calore in regime stazionario rappresenta anche il metodo standard raccomandato per la valutazione arbitrale. Tuttavia, la maggior parte degli strumenti è adatta a misurare prodotti con uno spessore superiore a 10 mm e non è applicabile alla valutazione delle prestazioni termiche di materiali isolanti molto sottili, con spessori inferiori a 5 mm. Inoltre, i VIP ultra-sottili hanno spesso uno spessore di appena 1–3 mm. Anche sotto la stessa pressione di pre-carico, l’errore relativo nella misurazione dello spessore risulta ben superiore a 10%. Inoltre, sebbene la differenza di temperatura tra i due lati sia relativamente ridotta, l’errore di misurazione della temperatura risulta comunque molto elevato, causando ampie discrepanze nei dati di misura tra i vari strumenti; alcuni addirittura superano il margine di 100%, rendendoli quindi non comparabili. Pertanto, per valutare le prestazioni isolanti delle strutture in VIP ultra-sottili, risulta più scientifico e ragionevole utilizzare la curva di risposta della temperatura sul lato caldo oppure l’aumento di temperatura tra il lato freddo e quello caldo, nelle condizioni di una densità di flusso termico determinata e di intervalli temporali stabiliti.
4.Prospettive
La tecnologia e i prodotti di isolamento sottovuoto sono stati ampiamente diffusi negli elettrodomestici e in altri settori, diventando l’unico materiale essenziale per il risparmio energetico, la riduzione dei consumi e la massima utilizzazione dello spazio negli apparecchi refrigeranti come frigoriferi e congelatori. L’isolamento sottovuoto per la gestione termica delle batterie è ancora in fase embrionale; richiede verifiche approfondite del prodotto e una progettazione adattativa basata sulle caratteristiche dei sistemi di gestione termica delle batterie. Tuttavia, la flessibilità nella progettazione di forma e dimensioni dei particolari pannelli isolanti sottovuoto (VIP) o delle strutture isolanti sottovuoto (VIS), le caratteristiche di combinazione variabile dei materiali di membrana, dei materiali di riempimento e dei metodi di sigillatura sotto vuoto, nonché le prestazioni isolanti senza paragoni, rendono possibile integrare nella progettazione dei sistemi batteria funzioni di dissipazione del calore, isolamento, protezione antincendio o compartimentazione antincendio. I nuovi prodotti in pannelli isolanti sottovuoto presentano un grande potenziale applicativo nella gestione termica delle batterie automobilistiche e dei sistemi di accumulo dell’energia.
5.RRiferimenti
[1] Zhang Liyu, et al. Studio sperimentale fondamentale sulla correlazione tra prestazioni delle batterie al litio e temperatura [J]. Rivista dell’Università Jiaotong di Xi’an, 2018, 52 (5): 133-141.
[2] Sato N. Analisi del comportamento termico delle batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici e ibridi [J]. Journal of Power Sources, 2001, 99(1-2): 70-77.
[3] WILKE S, SCHWEITZER B, KHATEEB S, et al. Prevenzione della propagazione del runaway termico nei pacchi batteria agli ioni di litio mediante un materiale composito a cambiamento di fase: uno studio sperimentale [J]. Journal of Power Sources, 2017, 340: 51 − 59.
[4] Pesaran A A. Modelli termici delle batterie per simulazioni di veicoli ibridi [J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 377-382.
[5] Rui Xinyu, et al. Revisione sul problema della propagazione del runaway termico nelle batterie agli ioni di litio [J]. Industria delle Batterie, 2020, 24（3）: 193-205.
[6] Jiangxi Zhongmao New Energy Materials Technology Co., LTD. A high-temperature resistant heat insulation sheet: CN222039868U.2024.11.22.
[7] “GB 38031-2020 Requisiti di sicurezza per le batterie di trazione dei veicoli elettrici”.
[8] “GB18384-2020 Requisiti di sicurezza per i veicoli elettrici”.
[9] “GB38032-2020 Requisiti di sicurezza per gli autobus elettrici”.
