Kluczem do szerszego przyjęcia pojazdów elektrycznych (EV) będą tańsze modele o bardziej przystępnej cenie. Najdroższym elementem pojazdu elektrycznego jest akumulator. Innym sposobem na obniżenie kosztów, oprócz zwiększenia gęstości energii i zmniejszenia ceny ogniw akumulatorowych, jest bardziej wydajne pakowanie ogniw. Niektóre elementy wewnątrz zestawu to materiały interfejsu termicznego (TIM), które pomagają przenosić ciepło z ogniw do mechanizmu chłodzącego (zazwyczaj zimnej płyty lub kanałów chłodzących).

Czy wraz z tendencją do redukcji i eliminacji materiałów w akumulatorach pojazdów elektrycznych, materiały TIM przetrwają? Analiza wykazała, że intensywność ich użycia w produkcyjnych modelach pojazdów elektrycznych wahała się od 0,14 kg/kWh do zaledwie 0,005 kg/kWh.

Intensywność TIM może się znacznie różnić w zależności od konstrukcji baterii. Źródło: IDTechEx

Cell-to-pack zmniejszający intensywność TIM

Cell-to-pack (CTP) jest najczęściej akceptowaną filozofią, jeśli chodzi o redukcję komponentów stosowanych w zestawie baterii. Układając wszystkie ogniwa razem, bez pojedynczych modułów, można wyeliminować lub zredukować różne materiały, w tym obudowy modułów i połączenia między modułami.

Ma to również wpływ na TIM, ponieważ zamiast tych, które znajdują się wewnątrz i na zewnątrz modułów, wymagana jest tylko jedna warstwa TIM bezpośrednio między ogniwami a zimną płytą. Drastycznie zmniejsza to ilość TIM na pojazd, przy czym IDTechEx stwierdził średnią redukcję o prawie 50%, chociaż różni się ona znacznie w zależności od konkretnej konstrukcji baterii.

Najbardziej ekstremalną redukcją, jaką IDTechEx zaobserwował w dużych pakietach samochodowych, jest konstrukcja CTP 3.0 firmy CATL Są w niej zastosowane rozszerzalne kanały chłodzące, które znajdują się pomiędzy ogniwami i zapewniają wystarczający kontakt termiczny z powierzchniami ogniw bez potrzeby stosowania dużej liczby TIM  Jednak stosunkowo niewielka liczba tych materiałów jest nadal używana wzdłuż krawędzi tych kanałów chłodziwa.

Objętość wymaganego TIM znacznie spada, ale nowe rozwiązania mają tendencję do odgrywania bardziej strukturalnej roli, a zatem w porównaniu z ich odpowiednikami stosowanymi w projektach modułowych (tj. bardziej żelowym wypełniaczem szczelin) wymagają silniejszych właściwości adhezyjnych (tj. kleju przewodzącego ciepło).

Kleje termoprzewodzące mają tendencję do uzyskiwania wyższej ceny za kilogram niż wypełniacze szczelin, a zatem część wartości utraconej w wyniku redukcji materiału może zostać odzyskana dzięki wyższym ich cenom.

Alternatywne metody chłodzenia w celu wyeliminowania TIM

Oprócz redukcji materiału, istnieją konstrukcje akumulatorów, które mogą całkowicie wyeliminować TIM. Xerotech (producent baterii z siedzibą w Irlandii) stosuje kanały chłodzące między cylindrycznymi ogniwami, które są wykonane z polimeru, a nie typowego aluminium. Kanały te mogą się rozszerzać, wypełniając szczeliny między ogniwami, tworząc dobry kontakt termiczny z ogniwami.

Austriacki dostawca komponentów Miba zaprojektował produkt o nazwie FLEXCooler, który zastępuje zimne płyty i TIM elastycznym kanałem chłodzącym, który rozszerza się, wypełniając przestrzeń wokół ogniw. Zapewnia on redukcję zużycia surowców o 80% w porównaniu z tradycyjnymi aluminiowymi płytami chłodzącymi.

Chłodzenie zanurzeniowe to kolejna droga do eliminacji TIM poprzez usunięcie zimnych płyt i bezpośrednie zanurzenie ogniw w dielektrycznym chłodziwie. Zapewnia to doskonałą jednorodność termiczną w ogniwach i pakiecie baterii. Wiąże się to jednak z własnymi wyzwaniami związanymi z uszczelnieniem płynu, wyborem pompy i dodatkową złożonością. Z tych powodów chłodzenie zanurzeniowe pozostało w dużej mierze dla wysokowydajnych zestawów akumulatorów o dużej mocy, a IDTechEx przewiduje, że pozostanie to głównym przypadkiem użycia.

Perspektywy IDTechEx

Im większa popularność akumulatorów typu cell-to-pack, tym bardziej ogólny trend w zakresie wydajnego pakowania akumulatorów, a im więcej konstrukcji bez TIM, tym mniejsza średnia zawartość TIM w zestawie akumulatorów EV. Jednak na rynku nadal istnieje ogromna różnorodność konstrukcji akumulatorów, a większość z nich używa znacznej liczby TIM. Nawet przy średniej redukcji TIM, rosnący rynek pojazdów elektrycznych spowoduje wzrost popytu na te materiały.

IDTechEx przewiduje 4,2-krotny wzrost zapotrzebowania na TIM w 2035 r. w porównaniu do 2023 r. w celu obsługi rynku pojazdów elektrycznych na rynkach drogowych, takich jak samochody osobowe, dostawcze, ciężarowe, autobusy, pojazdy dwukołowe, trójkołowe i mikrosamochody. Raport IDTechEx „Thermal Management for Electric Vehicles 2025-2035: Materials, Markets, and Technologies” przygląda się zarządzaniu termicznemu akumulatorów, silników, elektroniki mocy i kabiny, analizując strategie, komponenty, materiały, udziały w rynku i prognozy do 2035 roku.

Żródło: Dr James Edmondson – IDTechEx