Эволюция батарей для электромобилей:
Рынок электромобилей (EV) продолжает тенденцию к созданию батарей с более высокой плотностью энергии. Хотя средняя плотность энергии на рынке несколько снизилась с 2020 года из-за возрождения литий-железо-фосфатных (LFP) батарей, процент батареи, занимаемый элементами, увеличивается, что несколько смягчает влияние перехода на химический состав элементов с более низкой плотностью энергии.

Увеличение доли литий-железо-фосфатных элементов привело к снижению средней плотности энергии элементов, однако эффективность упаковки продолжает быстро расти, что помогает компенсировать это на уровне всего блока. Источник: IDTechEx (Рисунок 1)

Тенденция к повышению эффективности компоновки частично обусловлена ​​постепенными улучшениями, а также более широким внедрением конструкций «элемент-элемент» и «элемент-корпус», наблюдавшимся в 2022 году. В 2022 году значительно увеличилось количество выпущенных аккумуляторов BYD Blade, и ожидается, что рыночная доля BYD на китайском рынке электромобилей достигнет примерно 25% в первой половине года. Такая конструкция «элемент-элемент» означает, что каждый призматический элемент занимает всю ширину блока. В 2022 году Tesla также выпустила свои первые автомобили, использующие высокоэффективные аккумуляторные элементы 4680 и структурную конструкцию блока, в которой элементы крепятся непосредственно к крышке батареи. Эти изменения в конструкции значительно повышают плотность энергии за счет исключения вспомогательных материалов, которые не вносят прямого вклада в производительность батареи. Несколько производителей оригинального оборудования (OEM) объявили о планах внедрения конструкций «элемент-корпус» или «элемент-корпус» в ближайшие годы, включая такие группы, как VW, Stellantis и другие.

Противопожарная защита в будущих конструкциях батарей.
Несмотря на сокращение и исключение материалов в батареях электромобилей, ряд материалов всегда будет необходим для оптимальной работы батареи. К ним относятся стратегия управления тепловым режимом (холодные пластины, охлаждающие жидкости и т. д.) и, особенно в 2022 году, противопожарные материалы. Как и в 2021 году, пожары в электромобилях часто фигурировали в новостях, но сейчас, как никогда, они являются движущей силой инноваций в области материалов. Хотя пожары случаются нечасто и менее вероятны, чем в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания, литий-ионные батареи, независимо от химического состава или формата элементов, представляют собой ненулевой риск теплового разгона и последующего возгорания. В 2021 году крупные производители оригинального оборудования (OEM), такие как GM, Hyundai, VW и другие, выпустили ряд отзывов, связанных с риском возгорания батарей. В 2022 году в Индии наблюдался всплеск внимания к пожарам батарей в электрических двухколесных транспортных средствах, что привело к принятию специальных стандартов безопасности, касающихся различных факторов проектирования батарей.

В связи с повышенным вниманием общественности и предстоящим введением в действие правил безопасности, касающихся теплового разгона, в ряде регионов, производители оригинального оборудования (OEM) вынуждены более тщательно изучать материалы, используемые для противопожарной защиты. Упомянутая ранее тенденция к созданию многоячеечных и высокоэнергетических блоков представляет собой проблему в области противопожарной защиты. По мере увеличения плотности энергии возможности для применения добавок сокращаются, что заставляет поставщиков сосредоточиться на многофункциональных материалах. Например, аэрогели завоевывают долю рынка благодаря своим теплоизоляционным, противопожарным и сжимаемым свойствам. В 2022 году компания Aspen Aerogels была выбрана поставщиком для платформы GM Ultium, а её материал PyroThin принёс 18,4 миллиона долларов дохода в первом полугодии 2022 года, по сравнению с 6,7 миллиона долларов за весь 2021 год. Компания Rogers Corporation, крупный поставщик компрессионных пеноматериалов для аккумуляторных батарей пакетного типа, в 2022 году анонсировала свои материалы EV ProCell Firewall, которые обеспечивают как противопожарную защиту, так и управление сжатием (что критически важно для аккумуляторных батарей пакетного типа). В конце 2021 года было объявлено о приобретении Rogers компанией DuPont, которое стало одним из крупнейших приобретений в секторе материалов за последнее время. Однако это приобретение было отменено в конце 2022 года после того, как DuPont не смогла получить одобрение всех необходимых регулирующих органов.

В зависимости от формата ячеек и необходимости межъячеечного и/или внутриблочного решения могут использоваться и другие варианты материалов. Начиная с 2023 года, с быстрым расширением рынка электромобилей, спрос на некоторые из этих материалов будет стремительно расти, и IDTechEx прогнозирует, что спрос на огнезащитные материалы увеличится в тринадцать раз к 2033 году. В последнем отчете IDTechEx «Огнезащитные материалы для батарей электромобилей 2023–2033» анализируются тенденции в проектировании батарей, правила безопасности и то, как они повлияют на огнезащитные материалы. В отчете проводится прямое сравнение материалов друг с другом и для применения в батарейных блоках. Анализируемые материалы включают керамические одеяла и листы (и другие нетканые материалы), слюду, аэрогели, покрытия (вспучивающиеся и другие), герметики, герметизирующие пены, компрессионные прокладки, материалы с фазовым переходом и многие другие. Для каждого материала и категории транспортных средств включены десятилетние прогнозы рынка.

Существует множество материалов, применимых для противопожарной защиты, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от конструкции батареи.

Эволюция теплопроводящих материалов в батареях электромобилей

Теплопроводящие материалы (ТПМ) являются фундаментальным компонентом в подавляющем большинстве современных конструкций аккумуляторных батарей для электромобилей. Они помогают рассеивать тепло от элементов к охлаждающей конструкции (корпусам модулей, системе охлаждения, холодным пластинам/каналам). В настоящее время наиболее распространенные применения предполагают размещение элементов батареи на заполняющем зазор ТПМ внутри модуля; затем несколько таких модулей размещаются на другом заполняющем зазор ТПМ, контактирующем с охлаждаемой жидкостью холодной пластиной, расположенной ниже. В некоторых более современных конструкциях, особенно в конструкциях «элемент-блок», этот подход изменился.

Концепция предполагает прямой контакт ячеек с холодной пластиной через единый теплопроводящий материал (ТПМ), что уменьшает количество интерфейсов и улучшает теплопередачу. При меньшем количестве интерфейсов теплопроводность ТПМ может быть снижена, что потребует меньшего количества материала. Первоначально это может снизить вес и стоимость ТПМ и упростить его распространение. Однако, с исключением корпусов модулей (или аналогичных конструкций), ТПМ теперь должен выполнять функцию несущего элемента. Это открывает значительные возможности для применения теплопроводящих клеев.

Хотя (как уже упоминалось ранее) материалы, окружающие элементы батареи, исключаются из конструкции для повышения плотности энергии, термоинтерфейсный материал (ТИМ) — один из материалов, который в значительной степени сохранится и будет обладать многофункциональными свойствами, способствующими как управлению тепловым режимом, так и формированию структуры батареи. С увеличением размера элементов область применения ТИМ может несколько сузиться в некоторых конструкциях, но IDTechEx прогнозирует более 2 ТВт·ч жидкостно-охлаждаемых или охлаждаемых охлаждающей жидкостью батарей к 2031 году, что будет означать огромный рост для ТИМ, наряду с другими компонентами и материалами для управления тепловым режимом.

Сочетание терморегулирования и электромагнитной защиты в сетях 5G и ADAS

Ряд отраслей промышленности переходит на более высокие частоты. Два ключевых примера — это телекоммуникации 5G, обеспечивающие более высокие скорости передачи данных, и автомобильные радары, позволяющие обнаруживать объекты с более высоким разрешением. На более высоких частотах экранирование от электромагнитных помех (ЭМП) традиционными методами становится более сложной задачей. В сочетании с растущей плотностью и мощностью компонентов материалы, способные обеспечивать как теплоотвод, так и экранирование от ЭМП, становятся все более привлекательным вариантом.

Развертывание 5G идет полным ходом, но высокочастотная инфраструктура, миллиметровые волны (>24 ГГц), все еще находится на начальной стадии развития. Подавляющее большинство инфраструктуры 5G в 2022 году по-прежнему будет работать в низкочастотных диапазонах, ниже 6 ГГц. Однако IDTechEx прогнозирует 70-кратное увеличение развертывания малых сот в миллиметровом диапазоне к 2033 году. Инфраструктура миллиметровых волн представляет ряд проблем, связанных с распространением сигнала, а также более высокая частота приводит к необходимости использования более компактных и плотно расположенных антенн, где как управление тепловым режимом, так и экранирование от электромагнитных помех создают определенные трудности.

Автомобильный радар является ключевым компонентом передовых систем помощи водителю (ADAS) и важным фактором, обеспечивающим работу будущих автономных транспортных средств. Ранее автомобильные радары работали преимущественно на частоте 24 ГГц. С тех пор рынок в значительной степени сместился в сторону частот >77 ГГц. Это повышает разрешение, но также требует более компактной антенны и, следовательно, меньшего размера радарного блока. Ожидается, что высокочастотные радары станут доминирующей технологией в будущем. По оценкам IDTechEx, к 2030 году более 90% автомобильных радаров будут работать в диапазоне 77 ГГц. В таких конструкциях компактность устройства с сигналами более высоких частот снова создает проблемы как для управления тепловым режимом, так и для экранирования от электромагнитных помех.

Традиционная защита от электромагнитных помех обычно состоит из металлического экрана на уровне печатной платы (BLS), расположенного поверх компонента, с теплопроводящим материалом (TIM) между компонентом и экраном, и еще одним между экраном и радиатором. Эти экраны часто имеют отверстия для улучшения рассеивания тепла, но на более высоких частотах (более коротких длинах волн) это значительно снижает эффективность защиты от электромагнитных помех. Кроме того, при наличии нескольких интерфейсов между компонентом и радиатором теплопередача значительно снижается. Несколько компаний-производителей материалов предложили решение этих проблем, предоставив TIM, который также обладает свойствами защиты от электромагнитных помех.

Комбинированный экран от электромагнитных помех и термоинтерфейсная мембрана могут заменить несколько термоинтерфейсных мембран и экран на уровне пластины (BLS). Источник: IDTechEx

Несколько производителей, таких как Henkel, Kitagawa и Schlegel, выпустили термоинтерфейсные материалы (ТИМ), которые также выполняют функцию экранирования от электромагнитных помех (ЭМП). Одним из наиболее примечательных вариантов 2022 года является анонс CoolZorb D от Laird. Как и другие, это комбинация экрана от ЭМП и ТИМ, но отличается тем, что представляет собой цельный, одноразовый материал. Материал обладает теплопроводностью 3,5 Вт/мК и высоким затуханием, особенно выше 20 ГГц. Его одноразовая конструкция делает его потенциально более подходящим для крупносерийного производства, что может способствовать автоматизации производственного процесса. Хотя такие комбинированные варианты ЭМП/ТИМ дороже, чем аналогичные ТИМ, возможность удаления поглощающего ЭМП материала может снизить общую стоимость устройства, а также упростить производственный процесс.

И 5G, и автомобильные радары — это быстрорастущие рынки, переходящие на более высокие частоты. IDTechEx прогнозирует, что к 2032 году более 12 миллионов базовых станций 5G потребуют системы терморегулирования, а ежегодная рыночная стоимость термомодулей в системах ADAS увеличится в одиннадцать раз в течение следующих десяти лет.