Nella progettazione del pacco batteria, la schiuma può sembrare uno strato ammortizzante relativamente semplice.

In pratica, tuttavia, selezionare la schiuma giusta può rivelarsi una decisione ingegneristica molto più complessa.

Quanto dovrebbe essere spessa la schiuma?

Dovresti scegliere 1 mm, 2 mm o 3 mm?

Una densità maggiore fornisce sempre un supporto migliore?

La schiuma più morbida è più adatta ad accogliere l’espansione cellulare?

E forse la cosa più importante:

Quanta forza di compressione fornirà la schiuma durante la sua vita utile?

A queste domande non è possibile rispondere solo in termini di spessore o densità.

Per le applicazioni di compressione del pacco batteria, i fattori più importanti sono il comportamento di compressione della schiuma, la forza di compressione, il recupero, il rilassamento dello stress e le prestazioni di compressione a lungo termine.

1. Perché viene utilizzata la schiuma nei pacchi batteria?

Le celle agli ioni di litio non sono componenti dimensionalmente statici.

Durante la carica e la scarica le celle possono subire variazioni di spessore. A seconda della chimica cellulare, della costruzione e delle condizioni di invecchiamento, nel tempo può svilupparsi anche un rigonfiamento irreversibile.

Ciò è particolarmente importante per le celle a sacchetto e prismatiche, dove i cambiamenti dimensionali devono essere gestiti all'interno del modulo batteria o della struttura del pacco.

Uno strato di schiuma di compressione può aiutare a:

• Accogliere le variazioni di spessore delle cellule

• Mantenere una pressione di contatto controllata

• Compensare le tolleranze di assemblaggio

• Ridurre il movimento relativo tra i componenti

• Fornisce ammortizzazione contro vibrazioni e impatti meccanici

• Mantenere il supporto meccanico al variare delle dimensioni della cella

Pertanto, la schiuma all'interno di un pacco batteria non deve essere considerata semplicemente un materiale che riempie gli spazi.

È un componente meccanico funzionale che interagisce con la cella per tutta la vita operativa della batteria.

Questo è il motivo per cui i materiali di compressione delle batterie vengono spesso valutati utilizzando parametri come la compressione della forza di deflessione (CFD) piuttosto che solo lo spessore e la densità.

2. Un malinteso comune: la schiuma più spessa offre un'ammortizzazione migliore?

Non necessariamente.

Supponiamo che il progetto di un pacco batteria abbia uno spazio disponibile di 2 mm.

Potrebbe sembrare ragionevole selezionare una schiuma da 3 mm e comprimerla nello spazio disponibile. Potrebbe sembrare che una schiuma più spessa offra più spazio per l'ammortizzazione.

Tuttavia, lo spessore descrive solo la geometria del materiale.

Ciò che la cellula sperimenta effettivamente è la forza di compressione generata dalla schiuma a un livello di compressione specifico.

Ad esempio, due schiume possono avere entrambe uno spessore iniziale di 3 mm:

• La schiuma A può generare una forza di compressione relativamente elevata durante la compressione.

• La schiuma B può generare una forza di compressione inferiore e più graduale.

Sebbene il loro spessore sia identico, il loro effetto sulla cellula può essere molto diverso.

Lo stesso principio si applica quando si confrontano spessori diversi dello stesso materiale.

Una schiuma più spessa può fornire una maggiore capacità di spostamento, ma se genera una forza di compressione eccessiva al livello di compressione operativa, potrebbe non essere adatta all'applicazione.

La domanda chiave quindi non è:

'Quanto deve essere spessa la schiuma?'

È:

'Quale forza di compressione genererà la schiuma nell'intervallo di compressione operativo effettivo?'

3. Quali parametri della schiuma sono importanti nelle applicazioni con pacchi batteria?

Quando si valuta la schiuma di compressione per un pacco batteria, è necessario considerare diversi parametri insieme.

3.1 Deflessione della forza di compressione (CFD)

La compressione della forza di deflessione, o CFD, descrive la forza generata da una schiuma quando viene compressa fino a una deflessione specifica.

Per esempio:

• Compressione del 10%.

• Compressione del 25%.

• Compressione del 50%.

La forza risultante a ciascun livello di compressione fornisce un quadro molto più chiaro del comportamento meccanico del materiale rispetto alla sola densità.

Per le applicazioni con batterie, l'obiettivo generalmente non è quello di selezionare il materiale più duro disponibile.

Invece, la schiuma dovrebbe fornire una risposta di compressione adeguata e controllata entro l'intervallo di pressione consentito della cella.

Ciò rende la curva di compressione una parte importante della selezione del materiale.

3.2 Curva di compressione

Un singolo valore CFD non sempre fornisce informazioni sufficienti.

Ad esempio, un fornitore può fornire:

Forza di compressione al 25% = XX kPa

Questo valore è utile, ma cosa succede se l'applicazione reale opera tra il 10% e il 40% di compressione?

Il comportamento della schiuma nell'intero intervallo di compressione può essere più importante delle sue prestazioni in uno specifico punto di prova.

Consideriamo due ipotetici materiali:

I due materiali possono mostrare prestazioni simili con una compressione del 25%.

Tuttavia, il loro comportamento può diventare significativamente diverso a livelli di compressione più elevati.

Se l’espansione delle cellule aumenta la compressione della schiuma durante il servizio, questa differenza può diventare importante per la progettazione complessiva dell’imballaggio.

Per questo motivo, gli ingegneri dovrebbero valutare il comportamento della forza-deflessione nell'intervallo di compressione previsto , anziché fare affidamento su un singolo punto dati.

4. Compressione a lungo termine: la schiuma manterrà la sua forza?

Le prestazioni di compressione iniziali sono solo una parte dell'equazione.

Si prevede che un pacco batteria funzioni attraverso ripetuti cicli di carica e scarica.

La cellula può espandersi e contrarsi ripetutamente, mentre l’invecchiamento a lungo termine può introdurre ulteriori cambiamenti dimensionali.

La schiuma deve quindi mantenere la sua funzione meccanica nel tempo.

È qui che il rilassamento dello stress e il compression set diventano importanti.

Rilassamento dello stress

Il rilassamento dello stress si verifica quando un materiale viene mantenuto a una deformazione relativamente costante mentre la forza che genera diminuisce gradualmente nel tempo.

Per esempio:

Una schiuma può inizialmente generare 100 kPa ad un dato livello di compressione.

Dopo essere rimasti compressi per un periodo prolungato, la forza potrebbe diminuire.

Se il progetto originale considera solo la forza di compressione iniziale, le prestazioni effettive a lungo termine potrebbero differire dal risultato del test iniziale.

Insieme di compressione

Il compression set descrive la tendenza del materiale a mantenere una deformazione permanente dopo essere stato compresso.

Un compression set elevato può ridurre la capacità del materiale di recuperare il suo spessore originale e mantenere un supporto meccanico costante.

Per le applicazioni di compressione della batteria, entrambe le proprietà dovrebbero quindi essere considerate quando si valutano le prestazioni a lungo termine.

5. La schiuma più morbida fornisce sempre una migliore gestione dell’espansione cellulare?

Ancora una volta, non necessariamente.

Si è tentati di presumere che una schiuma più morbida sia automaticamente migliore perché può consentire una maggiore espansione.

Tuttavia, un materiale eccessivamente morbido potrebbe non fornire un supporto meccanico sufficiente.

D'altra parte, un materiale eccessivamente rigido può generare una forza di compressione eccessiva durante l'espansione della cella.

L’obiettivo è trovare il giusto equilibrio tra:

Espansione cellulare
→ Spessore della schiuma
→ Rapporto di compressione
→ Forza di compressione
→ Recupero
→ Ritenzione della forza a lungo termine

Questo è il motivo per cui la scelta della schiuma del pacco batteria è fondamentalmente un problema di adattamento meccanico , piuttosto che semplicemente una decisione sulla durezza del materiale.

6. Perché la schiuma PU microcellulare è considerata per le applicazioni con batterie?

La schiuma di poliuretano microcellulare (PU) può essere progettata per fornire diverse caratteristiche di compressione e recupero.

A seconda della formulazione e della struttura, la schiuma PU microcellulare può offrire una combinazione di:

• Compressione controllata

• Ammortizzazione

• Recupero elastico

• Gestione delle vibrazioni

• Distribuzione dello stress

• Prestazioni di compressione a lungo termine

Queste caratteristiche rendono la schiuma PU microcellulare una potenziale soluzione materiale per applicazioni quali:

• Pacchi batterie per veicoli elettrici

• Moduli batteria

• Compressione delle celle a sacchetto

• Ammortizzazione cellula per cellula

• Ammortizzazione da cellula a modulo

• Gestione espansione batteria

Tuttavia, la 'schiuma PU' di per sé non costituisce una specifica del materiale sufficiente.

Diverse schiume PU possono avere caratteristiche significativamente diverse:

• Densità

• Durezza

• Struttura cellulare

• Forza di compressione

• Comportamento di recupero

• Insieme di compressione

• Prestazioni di temperatura

Pertanto la domanda corretta non è:

'È possibile utilizzare la schiuma PU in una batteria?'

La domanda più utile è:

'Quale schiuma PU fornisce il comportamento di compressione richiesto dal design specifico della batteria?'

7. Un approccio pratico alla scelta della schiuma del pacco batteria

Se stai attualmente valutando la schiuma di compressione per un'applicazione a batteria, inizia con le condizioni operative effettive piuttosto che con le specifiche della schiuma.

Passaggio 1: definire il tipo di cella

Identificare se l'applicazione utilizza:

• Celle a sacchetto

• Cellule prismatiche

• Celle cilindriche

I requisiti meccanici possono variare in modo significativo tra i diversi design delle celle.

Passaggio 2: definire lo spazio disponibile

Per esempio:

Spazio disponibile: 2,5 mm

Lo spazio disponibile è uno dei fattori chiave che determinano lo spessore della schiuma richiesto.

Passaggio 3: definire la compressione target

Determinare quanto verrà compressa la schiuma durante l'assemblaggio e il funzionamento.

Per esempio:

Compressione iniziale: 20–30%

Il valore effettivo dovrebbe essere determinato dal design specifico della batteria piuttosto che dall’applicazione di un obiettivo universale.

Passaggio 4: definire la forza di compressione richiesta

Questo è uno dei parametri più importanti.

Invece di dire semplicemente a un fornitore di schiuma:

'Abbiamo bisogno di una schiuma morbida.'

È molto più utile specificare la forza di compressione o l'intervallo di pressione richiesti.

Passaggio 5: considerare l'espansione cellulare

Stimare come lo spessore della cella può cambiare durante il funzionamento e l'invecchiamento.

La schiuma dovrebbe quindi essere valutata nell'intervallo di compressione corrispondente.

Passaggio 6: valutare le prestazioni a lungo termine

Considerare:

• Insieme di compressione

• Rilassamento dello stress

• Recupero

• Resistenza alla temperatura

• Prestazioni del ciclismo di compressione

Passaggio 7: selezionare lo spessore e la densità della schiuma

Solo dopo aver compreso i parametri di cui sopra è necessario finalizzare lo spessore e la densità.

In altre parole:

Non iniziare con lo spessore e poi cercare la schiuma.

Iniziare con i requisiti meccanici , quindi determinare quale struttura e spessore della schiuma possono soddisfarli.

8. Quali informazioni è necessario fornire quando si richiedono campioni di schiuma per batterie?

Una richiesta generale come:

'Si prega di consigliare una schiuma per le applicazioni con batterie per veicoli elettrici.'

di solito non fornisce informazioni sufficienti per una raccomandazione materiale significativa.

Un'indagine tecnica più utile includerebbe:

Applicazione: cuscinetto di compressione da cella a cella/da cella a modulo

Tipo di cella: Custodia / Prismatica / Cilindrica

Luce disponibile: XX mm

Spessore target della schiuma: XX mm

Compressione iniziale: XX%

Forza di compressione richiesta: XX–XX kPa

Temperatura di esercizio: XX–XX °C

Cicli di compressione: XX cicli

Set di compressione richiesto: XX%

Requisiti aggiuntivi: ritardanza di fiamma, isolamento elettrico, resistenza termica, supporto adesivo, fustellatura o altri requisiti

Quanto più chiaramente vengono definite le condizioni di applicazione, tanto più accuratamente un fornitore di schiuma può valutare i potenziali materiali.

9. Come valutare una schiuma di compressione per batterie da un fornitore

Quando si confrontano materiali diversi è facile concentrarsi sui primi numeri di una scheda tecnica:

Densità.
Spessore.
Durezza.

Questi parametri sono utili, ma non raccontano la storia completa.

Per un'applicazione di compressione, spesso è più utile chiedere:

• Dati sulla deflessione della forza di compressione

• Curve forza-deflessione

• Dati del set di compressione

• Dati sul rilassamento dello stress

• Caratteristiche del recupero

• Prestazioni di temperatura

• Prestazioni di compressione a lungo termine

• Test a campione nelle condizioni di applicazione reali

Questo approccio consente agli ingegneri di valutare il materiale in base alle sue prestazioni funzionali , anziché semplicemente confrontare le specifiche del catalogo.

10. Un modo migliore di pensare alla scelta della schiuma della batteria

Per le applicazioni con batterie, il processo di selezione può essere semplificato in un'unica catena di ingegneria:

Comportamento delle cellule
↓
Spazio disponibile
↓
Spessore della schiuma
↓
Rapporto di compressione
↓
Forza di compressione
↓
Rilassamento dello stress/compression set
↓
Prestazioni meccaniche a lungo termine

Questo è un modo più completo per valutare la schiuma di compressione rispetto alla semplice domanda se un materiale è 'morbido' o 'duro'.

Per le schiume XY, le soluzioni di schiuma PU microcellulare come la serie INF possono essere valutate in base ai requisiti specifici dell'applicazione.

La selezione del materiale dovrebbe basarsi sull'intervallo di compressione richiesto, sulla forza di compressione, sul comportamento di recupero, sulle condizioni di temperatura e sulle prestazioni a lungo termine piuttosto che sulla sola qualità del prodotto.

Conclusione: la scelta della schiuma della batteria non è solo una questione di spessore

Se c'è una cosa da ricordare quando si sceglie la schiuma per un pacco batteria, è questa:

Una schiuma più spessa non significa automaticamente una migliore ammortizzazione, mentre una schiuma più morbida non significa automaticamente una migliore gestione dell'espansione.

Il materiale giusto deve corrispondere all'effettivo comportamento meccanico del sistema batteria.

Le domande chiave sono:

• Quanto si espanderà la cellula?

• Qual è il divario disponibile?

• Quale intervallo di compressione subirà la schiuma?

• Quale forza di compressione è accettabile?

• Come si riprenderà la schiuma?

• Quanta forza manterrà dopo la compressione a lungo termine?

• In che modo la temperatura e il ciclismo influiranno sulle sue prestazioni?

Pertanto, è necessario selezionare una schiuma di compressione per batteria adatta in base al comportamento di compressione e alle prestazioni a lungo termine , non solo allo spessore o alla densità.

Per gli sviluppatori di pacchi batteria che valutano la schiuma di compressione, il miglior punto di partenza è fornire il tipo di cella, lo spazio disponibile, la compressione target, la forza di compressione richiesta, la temperatura operativa e i requisiti di prestazione a lungo termine .

Perché in una batteria la questione più importante non è lo spessore della schiuma.

Dipende da come si comporta la schiuma quando la cella si espande e da come tale comportamento cambia nel corso della durata della batteria.