Термопроводящи материали в акумулатори на енергия

В електротехниката технологичният напредък създаде необходимост от намиране на нови решения за разсейване на топлината.

Появата на пазара на топлопроводими материали позволи модернизацията (предимно миниатюризацията) на приложенията. Това стана възможно благодарение на топлопроводимостта и електроизолационните свойства на тези компоненти. С течение на времето започна да се обмисля използването на топлопроводими материали в преносимите батерии (power banks), тъй като тези материали се представят значително по-зле и са по-склонни към повреди при високи температури.

При проектирането на охладителни системи трябва да се вземат предвид много фактори:

• Електрическо съпротивление (изолация и резистивност)
• Устойчивост на външни фактори (температура, удар, прах)
• Средна и максимална мощност на устройството
• Максимална работна температура
• Ефективност на охладителната система
• Гладкост/порьозност на охлаждащата повърхност.

Най-важните параметри, характеризиращи топлопроводимите материали, са:

Топлопроводимост – количеството топлина, което ще премине през даден материал при специфични условия и с течение на времето. Всеки материал има различна стойност на топлопроводимост, което прави не всички от тях подходящи за приложения за разсейване на топлината. Термопроводимите материали най-често използват смеси от метални оксидни частици (пълнители) с различни размери и форми, за да постигнат подходящата стойност на проводимостта.

Термично съпротивление – това е съпротивлението, което даден материал предлага на топлинния поток. В охладителните системи термичното съпротивление е много важно – искаме да изберем материал с най-ниско термично съпротивление, за да постигнем възможно най-добра производителност на разсейване на топлината. Една от основните цели на такива приложения е да се елиминират въздушните междини между повърхностите на конекторите, тъй като въздухът има високо термично съпротивление.

Видове материали, използвани в акумулаторите.

Термопроводими лепила – това са специални лепила, пригодени за работа в тежки условия. Те издържат на високи температури и не изсъхват, което означава, че са в състояние да запазят свойствата си за дълго време. Използването на лепило подобрява разсейването на топлината, като едновременно с това закрепва конекторите, елиминирайки необходимостта от винтове или скоби. Най-често се използват за стабилизиране и закрепване на батерийните клетки, намалявайки процента на повреди на устройствата, като същевременно осигуряват оптимално разсейване на топлината.

Запълващи празнини (GFL) – това са термични съединения, които могат да се използват за капсулиране на устройства и да се прилагат върху радиатори или капаци на корпуси. Ключовото им предимство е лекотата на нанасяне, което позволява защитата на сложни геометрии. Тези материали обикновено се използват за създаване на така наречения „проводящ път“. Това решение подобрява термичните свойства, осигурявайки абсорбиране на удари и стабилност. Освен това, използването на пълнители подобрява електрическата изолация, което се изразява в безопасна употреба на електрическото устройство.

Запълващи материали – тези материали са структурно много подобни на запълващите празнини, но се различават по своите механични и електрически свойства. Запълващите материали са фолиа със специфични геометрии, доставяни на листове, ролки или нарязани на специфични форми. Те са проектирани да компенсират неравностите на компонентите, като по този начин ефективно елиминират мехурчетата и въздушните междини, и се използват в приложения, чувствителни на налягане.

Какви са предимствата от използването на топлопроводими материали?

Когато анализираме влиянието на температурата върху батериите, е важно да се отбележи, че променливите температури влияят значително върху производителността на батерията. Повишаването на температурата над препоръчителните от производителя стойности води до значителни загуби на капацитет, които могат да достигнат до 50% от капацитета на батерията. Работата при неблагоприятни температури води до стареене на батерията с течение на времето, което води до повишена честота на повреди. Следователно, използването на материали, които ефективно разсейват топлината, за да поддържат оптимална температура, позволява по-дълго време на работа и подобрена производителност на устройството за съхранение на енергия.

Термопроводимите материали също така стабилизират клетките на батерията и цялата батерия спрямо превозното средство, предпазвайки я от механични повреди. Това е важно, защото потенциалните удари, на които може да бъде подложено устройство за съхранение на енергия, карат активната маса на плочите да падне от клетките. Това от своя страна води до намаляване на капацитета на батерията и в екстремни случаи до вътрешно късо съединение. Този тип повреда разрушава батерията и налага нейната подмяна.

Устройствата за съхранение на енергия са склонни към повреди, свързани с приливни течения. Те представляват риск за хората, работещи в близост. Токове на утечка могат да възникнат в резултат на: замърсяване на блока на батерията, изтичане на електролит през корпуса на батерията или образуване на пролуки и пукнатини в корпуса на батерията. Използването на пълнител подобрява електрическата изолация, което води до безопасността на инсталацията и по-дългия ѝ експлоатационен живот.

Заключения

Термопроводящите материали се използват в приложения, които генерират големи количества топлина, като например в устройствата за съхранение на енергия, обсъдени по-горе. Използването на топлопроводящи материали повишава експлоатационната безопасност на батериите, акумулаторите и устройствата за съхранение. Те гарантират стабилизиране на работната температура на устройството за съхранение, което позволява то да се използва много по-дълго, като същевременно се постига максимална производителност. В приложения, изложени на вибрации, си струва да се обмисли използването на пълнители, за да се сведе до минимум възможността за механични повреди на батериите поради вибрации.

Анализирайки предимствата на топлопроводимите материали в приложенията за съхранение на енергия, можем уверено да кажем, че те са полезна инвестиция, която ще намали разходите, свързани с експлоатацията и поддръжката на такива устройства, осигурявайки им защита и помагайки за поддържането на правилни условия на работа.