Matériaux thermoconducteurs dans les systèmes de stockage d'énergie

En génie électrique, les progrès technologiques ont engendré la nécessité de trouver de nouvelles solutions pour la dissipation de la chaleur.

L'apparition sur le marché de matériaux thermoconducteurs a permis la modernisation (principalement la miniaturisation) des applications. Ceci a été rendu possible par la conductivité thermique et les propriétés d'isolation électrique de ces composants. Avec le temps, l'utilisation de matériaux thermoconducteurs dans les batteries externes a été envisagée, car ces matériaux sont nettement moins performants et plus sujets aux défaillances à haute température.Lors de la conception de systèmes de refroidissement, de nombreux facteurs doivent être pris en compte :Résistance électrique (isolation et résistance)Résistance aux facteurs externes (température, chocs, poussière)Puissance moyenne et maximale de l'appareilTempérature maximale de fonctionnementEfficacité du système de refroidissementRigidité/porosité de la surface de refroidissementLes paramètres les plus importants caractérisant les matériaux thermoconducteurs sont :La conductivité thermique : la quantité de chaleur qui traverse un matériau donné dans des conditions spécifiques et au fil du temps. Chaque matériau possède une conductivité thermique différente, ce qui explique que certains ne conviennent pas aux applications de dissipation de chaleur. Les matériaux thermoconducteurs utilisent le plus souvent des mélanges de particules d'oxyde métallique (charges) de tailles et de formes variées pour obtenir la conductivité appropriée.Résistance thermique : il s'agit de la résistance qu'un matériau offre au flux de chaleur. Dans les systèmes de refroidissement, la résistance thermique est primordiale ; on choisit un matériau présentant la plus faible résistance thermique possible afin d'obtenir une dissipation de chaleur optimale. L'un des principaux objectifs de ces applications est d'éliminer les espaces d'air entre les surfaces des connecteurs, car l'air possède une résistance thermique élevée.Types de matériaux utilisés dans le stockage d'énergie par batteries.Adhésifs thermoconducteurs : ce sont des adhésifs spéciaux conçus pour fonctionner dans des conditions difficiles. Ils résistent aux hautes températures et ne sèchent pas, ce qui leur permet de conserver leurs propriétés longtemps. L'utilisation d'un adhésif améliore la dissipation de chaleur tout en fixant les connecteurs, éliminant ainsi le besoin de vis ou de clips. Ils sont le plus souvent utilisés pour stabiliser et fixer les cellules de batterie, réduisant ainsi les taux de défaillance des appareils tout en assurant une dissipation thermique optimale.Les matériaux de remplissage d'espacement (GFL) sont des composés thermiques qui peuvent être utilisés pour encapsuler des appareils et appliqués sur des dissipateurs thermiques ou des boîtiers. Leur principal avantage réside dans leur facilité d'application, permettant la protection de géométries complexes. Ces matériaux sont généralement utilisés pour créer un « chemin de conduction ». Cette solution améliore les propriétés thermiques, assurant l'absorption des chocs et la stabilité. De plus, l'utilisation de matériaux de remplissage améliore l'isolation électrique, garantissant ainsi une utilisation sûre de l'appareil électrique.Les matériaux de remplissage sont structurellement très similaires aux matériaux de remplissage d'espacement, mais diffèrent par leurs propriétés mécaniques et électriques. Les matériaux de remplissage sont des feuilles de géométries spécifiques, fournies en feuilles, en rouleaux ou découpées à des formes spécifiques. Ils sont conçus pour compenser les irrégularités des composants, éliminant ainsi efficacement les bulles et les espaces d'air, et sont utilisés dans les applications sensibles à la pression.

Quels sont les avantages de l'utilisation de matériaux thermoconducteurs ?

Lors de l'analyse de l'effet de la température sur les batteries, il est important de noter que les variations de température ont un impact significatif sur leurs performances. Une augmentation de température au-delà des valeurs recommandées par le fabricant se traduit par des pertes de capacité importantes, pouvant atteindre jusqu'à 50 % de la capacité de la batterie. Un fonctionnement à des températures défavorables entraîne un vieillissement prématuré de la batterie, augmentant ainsi le taux de défaillance. Par conséquent, l'utilisation de matériaux dissipant efficacement la chaleur pour maintenir une température optimale permet d'allonger la durée de fonctionnement et d'améliorer les performances du dispositif de stockage d'énergie.

Les matériaux thermoconducteurs stabilisent également les cellules et l'ensemble de la batterie par rapport au véhicule, la protégeant ainsi des dommages mécaniques. Ceci est important car les chocs potentiels auxquels un dispositif de stockage d'énergie peut être soumis peuvent entraîner le détachement de la masse active des plaques des cellules. Ceci entraîne une diminution de la capacité de la batterie et, dans les cas extrêmes, un court-circuit interne. Ce type de panne détruit la batterie et nécessite son remplacement.Les dispositifs de stockage d'énergie sont sensibles aux défauts liés aux courants de marée. Ces derniers présentent un risque pour les personnes travaillant à proximité. Des courants de fuite peuvent survenir en raison de la contamination du bloc-batterie, d'une fuite d'électrolyte à travers le boîtier ou de la formation de fissures et d'interstices dans ce dernier. L'utilisation d'un matériau de remplissage améliore l'isolation électrique, ce qui se traduit par une sécurité accrue de l'installation et une durée de vie prolongée.ConclusionsLes matériaux thermoconducteurs sont utilisés dans les applications générant d'importantes quantités de chaleur, comme les dispositifs de stockage d'énergie mentionnés précédemment. Leur utilisation améliore la sécurité de fonctionnement des batteries et des dispositifs de stockage. Ils garantissent la stabilisation de la température de fonctionnement du stockage, permettant ainsi une utilisation prolongée tout en optimisant ses performances. Dans les applications exposées aux vibrations, il est judicieux d'envisager l'utilisation de charges pour minimiser les risques de dommages mécaniques aux batteries dus aux vibrations.L'analyse des avantages des matériaux thermoconducteurs dans les applications de stockage d'énergie nous permet d'affirmer avec certitude qu'il s'agit d'un investissement rentable qui réduira les coûts liés à l'exploitation et à la maintenance de ces dispositifs, tout en les protégeant et en contribuant au maintien de conditions de fonctionnement optimales.