Evolução das baterias para veículos elétricos:
O mercado dos veículos elétricos (VE) continua a sua tendência para projetos de baterias com maior densidade energética. Embora a densidade energética média do mercado tenha diminuído ligeiramente desde 2020 devido ao ressurgimento das baterias LFP, a percentagem da bateria ocupada por estas células tem aumentado, atenuando, em certa medida, o impacto da adoção de uma química celular com menor densidade energética.
O aumento da proporção de LFPs reduziu a densidade energética média das células, mas a eficiência da embalagem continuou a aumentar rapidamente, ajudando a compensar esta redução do nível da bateria. Fonte: IDTechEx (Figura 1)
A tendência para o aumento da eficiência da embalagem deve-se, em parte, a melhorias incrementais, mas também à crescente adoção de designs célula a célula e célula a corpo, observada em 2022. A bateria Blade da BYD teve um aumento significativo na sua implementação em 2022, prevendo-se que a quota de mercado da BYD no mercado chinês de veículos elétricos atinja aproximadamente 25% no primeiro semestre do ano. Este design célula a célula significa que cada célula prismática ocupa toda a largura da bateria. Em 2022, a Tesla lançou também os seus primeiros veículos utilizando as células de bateria 4680 de alta eficiência e um design estrutural em que as células são fixadas diretamente à tampa da bateria. Estas alterações de design melhoram consideravelmente a densidade de energia, eliminando os materiais auxiliares que não contribuem diretamente para o desempenho da bateria. Diversos fabricantes de equipamento original (OEMs) anunciaram planos para implementar designs célula a célula ou célula a corpo nos próximos anos, incluindo grupos como a VW, Stellantis e outros.
Proteção contra incêndios em projetos futuros de baterias:
Apesar da eliminação e redução de materiais nas baterias de veículos elétricos, serão sempre necessários diversos materiais no projeto de uma bateria para um desempenho ideal. Isto inclui a estratégia de gestão térmica (placas frias, fluidos refrigerantes, etc.) e, especialmente em 2022, os materiais de proteção contra incêndios. Tal como em 2021, os incêndios em veículos elétricos têm sido notícia frequente, mas agora, mais do que nunca, impulsionam a inovação nos materiais. Embora os incêndios sejam pouco frequentes e menos prováveis do que nos veículos com motor de combustão interna, as baterias de iões de lítio, independentemente da composição química ou da forma da célula, apresentam um risco não nulo de fuga térmica e consequente incêndio. Em 2021, foram emitidos vários recalls relacionados com o risco de incêndios em baterias por grandes fabricantes de equipamento original (OEMs), como a GM, Hyundai, VW e outros. Em 2022, a Índia assistiu a um aumento da atenção dada aos incêndios em baterias de veículos elétricos de duas rodas, o que levou à adoção de normas de segurança específicas relacionadas com diversos fatores de conceção das baterias.
Com o aumento da atenção pública e a iminente implementação de regulamentos de segurança contra fugas térmicas em várias regiões, os fabricantes de equipamento original (OEM) estão a ser obrigados a analisar com mais cuidado os materiais utilizados para a proteção contra incêndios. A tendência anteriormente referida para baterias com células integradas e maior densidade energética representa um desafio na proteção contra incêndios. À medida que a densidade energética aumenta, há menos espaço para os materiais aditivos, levando os fornecedores a concentrarem-se nos materiais multifuncionais. Por exemplo, os aerogéis estão a ganhar quota de mercado devido às suas capacidades de isolamento térmico, proteção contra incêndios e compressibilidade. Em 2022, a Aspen Aerogels foi nomeada fornecedora da plataforma Ultium da GM, e o seu material PyroThin gerou 18,4 milhões de dólares de receitas no primeiro semestre de 2022, um aumento em relação aos 6,7 milhões de dólares de todo o ano de 2021. A Rogers Corporation, um fornecedor líder de almofadas de espuma de compressão para baterias tipo pouch, anunciou os seus materiais EV ProCell Firewall em 2022, que oferecem proteção contra incêndios e gestão de compressão (fundamental para baterias tipo pouch). No final de 2021, a aquisição da Rogers pela DuPont foi anunciada como uma das maiores aquisições no setor dos materiais na história recente. No entanto, esta aquisição foi cancelada no final de 2022, após a DuPont não ter conseguido obter a aprovação de todos os organismos reguladores necessários.
Outras opções de materiais podem ser utilizadas dependendo do formato da célula e se é necessária uma solução intercelular e/ou ao nível da bateria. A partir de 2023, com a rápida expansão do mercado de veículos elétricos, vários destes materiais irão sofrer um rápido crescimento da procura, e a IDTechEx prevê que a procura de materiais de proteção contra incêndios aumente treze vezes até 2033. O mais recente relatório da IDTechEx, "Materiais de Proteção contra Incêndios para Baterias de Veículos Elétricos 2023–2033", analisa as tendências no design de baterias, as normas de segurança e como estas afetarão os materiais de proteção contra incêndios. O relatório compara os materiais diretamente entre si e para aplicações dentro das baterias. Os materiais analisados incluem mantas e folhas cerâmicas (e outros materiais não tecidos), mica, aerogéis, revestimentos (intumescentes e outros), encapsulantes, espumas encapsulantes, almofadas de compressão, materiais de mudança de fase e muitos outros. Estão incluídas previsões de mercado a dez anos para cada material e categoria de veículo.
Existem muitos materiais aplicáveis à proteção contra incêndios, cada um com os seus prós e contras, dependendo do design da bateria.
Evolução dos materiais de interface térmica nas baterias de veículos elétricos
Os materiais de interface térmica (TIMs) são um componente fundamental na grande maioria dos projetos modernos de baterias para veículos elétricos. Ajudam a dissipar o calor das células para a estrutura de arrefecimento (carcaças dos módulos, sistema de arrefecimento, placas/canais frios). Atualmente, as aplicações mais comuns consistem em células de bateria assentes num TIM de preenchimento de espaço dentro de um módulo; em seguida, vários destes módulos são assentes sobre outro TIM de enchimento de espaço para fazer contacto com a placa fria arrefecida a líquido abaixo. Esta abordagem mudou em alguns projetos mais recentes, particularmente nos projetos célula-pacote.
O conceito envolve as células a fazerem contacto direto com a placa fria através de um único material de interface térmica (TIM), reduzindo o número de interfaces e melhorando a transferência de calor. Com menos interfaces, a condutividade térmica do TIM pode ser reduzida, exigindo menos material. Inicialmente, isto poderia diminuir o peso e o custo do TIM e facilitar a sua distribuição. No entanto, com a eliminação das carcaças dos módulos (ou estruturas similares), o TIM necessita agora de fornecer um componente estrutural. Isto representa uma oportunidade significativa para os adesivos termicamente condutores.
Embora (como mencionado anteriormente) os materiais que envolvem as células da bateria estejam a ser eliminados do conjunto para permitir uma maior densidade de energia, o material de interface térmica (TIM) é um dos materiais que permanecerá em grande parte e fornecerá propriedades multifuncionais para auxiliar tanto na gestão térmica como na estrutura do conjunto de baterias. Com células maiores, a área de aplicação do TIM pode restringir-se um pouco em alguns projetos, mas a IDTechEx prevê mais de 2 TWh de baterias com refrigeração líquida ou por fluido refrigerante até 2031, o que representará um enorme crescimento para o TIM, juntamente com outros componentes e materiais de gestão térmica.
Combinação de gestão térmica e blindagem eletromagnética em 5G e ADAS
Diversos setores estão a migrar para frequências mais altas. Dois exemplos importantes são as telecomunicações 5G, que procuram velocidades de transferência de dados mais elevadas, e os radares automóveis, que permitem a deteção de maior resolução. A frequências mais elevadas, a blindagem contra interferências eletromagnéticas (EMI) torna-se mais difícil com os métodos tradicionais. Quando isto se combina com o aumento da densidade e da potência dos componentes, os materiais que oferecem tanto gestão térmica como blindagem contra EMI tornam-se uma opção cada vez mais atraente.
A implementação do 5G está bem encaminhada, mas a infraestrutura de alta frequência, mmWave (>24 GHz), ainda está numa fase inicial. A grande maioria da infraestrutura 5G em 2022 permanece nas gamas de frequência mais baixas, abaixo dos 6 GHz. No entanto, a IDTechEx prevê um aumento de 70 vezes na implantação de pequenas células mmWave até 2033. A infraestrutura mmWave apresenta diversos desafios relacionados com a propagação do sinal, mas também, a frequência mais elevada leva a antenas mais pequenas e mais densamente compactadas, onde tanto a gestão térmica como a blindagem EMI representam um desafio.
O radar automóvel é um componente essencial dos sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS) e um facilitador fundamental para os futuros veículos autónomos. Os radares automóveis anteriores operavam principalmente a 24 GHz. Desde então, o mercado migrou em grande parte para frequências acima dos 77 GHz. Isto aumenta a resolução, mas também exige uma antena mais compacta e, consequentemente, uma unidade de radar mais pequena. Espera-se que estes radares de alta frequência sejam a tecnologia dominante no futuro. A IDTechEx estima que mais de 90% dos radares automóveis irão operar na região dos 77 GHz até 2030. Nestes projetos, a natureza compacta do dispositivo com sinais de frequência mais elevada apresenta desafios tanto para a gestão térmica como para a blindagem contra interferências eletromagnéticas (EMI).
A blindagem EMI tradicional consiste normalmente numa blindagem metálica de nível de placa (BLS) colocada sobre o componente, com um material de interface térmica (TIM) utilizado entre o componente e a blindagem, e outro entre a blindagem e um dissipador de calor. Estas blindagens possuem frequentemente orifícios para auxiliar na dissipação de calor, mas a frequências mais elevadas (comprimentos de onda mais curtos), isto reduz consideravelmente a eficácia da blindagem contra EMI. Além disso, com múltiplas interfaces entre o componente e o dissipador de calor, a transferência de calor torna-se significativamente menos eficiente. Diversas empresas de materiais introduziram uma solução para estes problemas, fornecendo um TIM que também possui propriedades de blindagem EMI.
Uma blindagem EMI combinada com TIM pode substituir vários TIM e uma blindagem de nível de placa (BLS). Fonte: IDTechEx
Vários fabricantes, como a Henkel, a Kitagawa e a Schlegel, lançaram TIMs que também funcionam como blindagem EMI. Uma opção que se destaca em 2022 é o anúncio do CoolZorb D da Laird. Tal como outros, combina blindagem EMI e TIM, mas diferencia-se por ser um material descartável de peça única. O material oferece uma condutividade térmica de 3,5 W/mK e uma elevada atenuação, especialmente acima dos 20 GHz. A sua natureza descartável torna-o potencialmente mais adequado para a produção em grande escala, o que pode ajudar a automatizar o processo produtivo. Embora estas opções combinadas de EMI/TIM sejam mais caras do que um TIM semelhante, a possibilidade de remover o material absorvente de EMI pode reduzir o custo total do dispositivo, além de simplificar o processo de fabrico.
Tanto o 5G como os radares automóveis são mercados em rápido crescimento, migrando para frequências mais elevadas. A IDTechEx prevê mais de 12 milhões de estações base 5G até 2032, que exigirão gestão térmica, e que o valor de mercado anual dos materiais de interface térmica (TIMs) em sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS) aumentará onze vezes nos próximos dez anos.
