Bantalan termal baterai EV — juga disebut bantalan antarmuka termal baterai, bantalan pengisi celah, atau bantalan konduktif termal — adalah lembaran bahan konduktif termal yang lembut dan dapat dikompresi yang ditempatkan di antara sel atau modul baterai dan pelat pendingin di bawahnya. Fungsinya terdengar sederhana: mengalirkan panas dari sel baterai ke sistem pendingin. Namun tantangan teknis yang mereka pecahkan bukanlah hal yang sepele. Sel baterai diproduksi dengan toleransi dimensi yang menghasilkan variasi kecil pada tinggi dan kerataan permukaan di seluruh modul. Tanpa lapisan perantara yang sesuai, kontak logam-ke-logam yang keras antara sel dan pelat pendingin hanya akan menutupi puncak setiap permukaan, sehingga sebagian besar area antarmuka menjadi celah udara — dan udara merupakan konduktor panas yang sangat buruk.
Bantalan termal mengisi celah mikroskopis dan makroskopis ini dengan menyesuaikan tekanan sedang pada kedua permukaan secara bersamaan. Kontak intim ini secara dramatis mengurangi resistansi kontak termal pada antarmuka, menciptakan jalur panas dengan resistansi rendah dari selubung sel melalui bantalan dan masuk ke pelat dasar berpendingin cairan. Secara praktis, perbedaan antara antarmuka tanpa bantalan dan bantalan termal yang ditentukan dengan benar dapat berarti perbedaan antara sel yang beroperasi pada suhu 35°C atau 55°C selama siklus pengisian cepat — perbedaan suhu yang memiliki konsekuensi besar terhadap masa pakai baterai, kemampuan kecepatan pengisian daya, dan margin keamanan terhadap pelepasan panas.
Selain manajemen termal, Bantalan termal baterai EV juga melayani fungsi sekunder yang sama pentingnya dalam paket baterai kendaraan produksi. Mereka memberikan isolasi listrik antara selubung sel dan pelat pendingin dalam desain di mana pelat pendingin dibumikan atau pada potensial yang berbeda. Mereka menyerap tekanan ekspansi saat sel membengkak selama pengisian dan pengosongan — sel litium-ion dapat mengembang sebesar 2–5% melalui siklus pengisian dayanya, dan tanpa lapisan yang sesuai, ekspansi ini akan menimbulkan tekanan mekanis dalam struktur modul yang dapat merusak selubung sel atau melepaskan busbar. Bantalan termal kanan sekaligus merupakan komponen perpindahan panas, isolator listrik, dan penyangga mekanis.
Konduktivitas termal (dinyatakan dalam W/m·K) adalah spesifikasi utama untuk bantalan termal mana pun dan merupakan perbandingan pertama bagi pembeli. Namun konduktivitas dalam isolasi tidak menjelaskan secara lengkap bagaimana kinerja pad dalam kemasan baterai — ketebalan, perilaku kompresi, dan kualitas kontak permukaan semuanya berinteraksi untuk menentukan ketahanan termal sebenarnya pada antarmuka, yang merupakan parameter yang secara langsung menentukan seberapa besar kenaikan suhu sel di atas suhu cairan pendingin di bawah beban panas tertentu.
Resistensi antarmuka termal (diukur dalam cm²·K/W atau m²·K/W) menggabungkan konduktivitas massal bantalan dengan ketebalan dan kualitas kontak permukaannya. Bantalan dengan konduktivitas sedang sebesar 3 W/m·K yang dikompresi hingga ketebalan 0,5 mm akan mengungguli bantalan dengan konduktivitas lebih tinggi yaitu 6 W/m·K yang dikompresi hingga ketebalan 2 mm, karena bantalan yang lebih tebal memiliki lebih banyak bahan untuk menghantarkan panas. Hubungannya adalah: ketahanan termal = ketebalan / (konduktivitas × luas) . Ini berarti bahwa dalam paket baterai yang toleransi perakitannya dikontrol dengan baik dan celahnya kecil, bantalan yang tipis dan cukup konduktif sering kali memberikan kinerja termal yang lebih baik dibandingkan bantalan yang tebal dan sangat konduktif — sekaligus juga lebih murah dan menambah bobot lebih sedikit.
Nilai konduktivitas praktis di pasar bantalan termal baterai EV berkisar antara 1,5 W/m·K untuk bantalan pengisi celah dasar yang digunakan dalam aplikasi berdaya rendah, hingga 3–6 W/m·K untuk desain paket baterai otomotif umum, hingga 8–15 W/m·K untuk aplikasi pengisian cepat dan motorsport berperforma tinggi di mana meminimalkan ketahanan termal merupakan batasan desain yang dominan, berapa pun biayanya. Di atas sekitar 10 W/m·K, pasta termal atau bahan pengubah fasa mulai bersaing, meskipun tidak ada yang menawarkan kombinasi kepatuhan, kemudahan perakitan, dan kemampuan pengerjaan ulang yang sama seperti yang disediakan oleh bantalan termal padat di lingkungan lini produksi.
Bahan dasar bantalan termal baterai EV menentukan kisaran suhu, kompatibilitas bahan kimia, stabilitas jangka panjang, karakteristik kompresibilitas, dan apakah bahan tersebut menimbulkan risiko kontaminasi ke dalam lingkungan perakitan baterai. Tiga kelompok material mendominasi pasar bantalan termal baterai otomotif, masing-masing dengan kekuatan spesifik sehingga sesuai untuk kebutuhan desain yang berbeda.
Bantalan termal matriks silikon adalah jenis yang paling banyak digunakan di industri otomotif. Silikon memberikan kisaran suhu pengoperasian yang luas (biasanya −60°C hingga 200°C), elastisitas jangka panjang yang sangat baik yang mempertahankan gaya kompresi dan kinerja pengisian celah selama bertahun-tahun siklus termal, kelembaman kimia yang baik, dan kompatibilitas dengan persyaratan mudah terbakar standar UL94 V-0 untuk bahan kemasan baterai. Pengisi konduktif termal — aluminium oksida, boron nitrida, aluminium nitrida, atau kombinasinya — tersebar ke seluruh matriks silikon untuk mencapai tingkat konduktivitas yang diinginkan. Kelembutan dan kesesuaian matriks silikon memastikan kontak permukaan yang erat bahkan pada tekanan perakitan rendah, membuat bantalan silikon sangat cocok untuk gaya penjepitan sedang yang tersedia di sebagian besar desain modul baterai.
Keterbatasan utama bantalan termal berbasis silikon dalam aplikasi EV adalah pelepasan gas silikon. Bahan silikon melepaskan senyawa siloksan dengan berat molekul rendah sebagai senyawa organik yang mudah menguap (VOC) pada suhu tinggi. Dalam kemasan baterai yang tersegel, senyawa siloksan ini dapat mengendap pada kontak listrik, elemen sensor, dan terminal sel, sehingga berpotensi menyebabkan masalah resistensi kontak atau mengganggu mekanisme ventilasi sel. Inilah sebabnya mengapa beberapa OEM otomotif — khususnya yang memiliki program pengendalian kontaminasi silikon yang ketat — menentukan bahan antarmuka termal bebas silikon untuk permukaan interior unit baterai.
Bantalan termal non-silikon menggunakan matriks polimer alternatif — bahan berbasis poliuretan, akrilik, poliolefin, atau lilin — untuk membawa pengisi konduktif termal. Bahan-bahan ini sepenuhnya menghilangkan masalah keluarnya gas silikon, itulah sebabnya bahan-bahan ini semakin banyak ditentukan oleh OEM dengan persyaratan perakitan bebas silikon yang ketat, termasuk banyak produsen mobil Jepang dan Eropa. Bantalan termal berbahan dasar poliuretan menawarkan kompresibilitas yang baik dan kisaran suhu sedang yang cocok untuk interior unit baterai (biasanya −40°C hingga 130°C). Bantalan termal berbahan dasar akrilik menghasilkan lembaran yang lebih kokoh dan stabil secara dimensi sehingga lebih mudah ditangani dan dipotong selama perakitan paket baterai bervolume tinggi. Kerugian dari desain bebas silikon biasanya adalah kisaran suhu yang lebih sempit dan berkurangnya elastisitas jangka panjang dibandingkan dengan silikon, yang harus diperhitungkan dalam ketebalan bantalan dan desain kompresi.
Bahan antarmuka termal perubahan fasa (PCM) adalah kategori khusus yang bertransisi dari padat ke cair pada suhu transisi tertentu — biasanya 50–70°C — dan kembali menjadi padat saat didinginkan. Dalam bentuk cair, PCM mengalir ke fitur permukaan mikroskopis untuk mencapai kontak yang hampir sempurna, sehingga secara dramatis meminimalkan resistensi antarmuka. Bantalan pengubah fase disediakan dalam bentuk lembaran padat untuk memudahkan perakitan dan dioptimalkan secara termal setelah siklus termal pertama digunakan. Mereka mencapai beberapa nilai resistansi antarmuka terendah yang tersedia dalam bahan antarmuka termal format padat dan digunakan dalam paket baterai berkinerja tinggi di mana meminimalkan kenaikan suhu selama pengisian cepat merupakan pembeda kompetitif utama. Keterbatasannya adalah bahwa fase cair memerlukan geometri penahanan yang memadai untuk mencegah migrasi material keluar dari antarmuka melalui siklus termal yang berulang.
| Jenis Bahan | Konduktivitas Khas | Kisaran Suhu | Bebas Silikon | Keuntungan Utama |
|---|---|---|---|---|
| Bantalan berbahan dasar silikon | 1,5–10 W/m·K | −60°C hingga 200°C | No | Kisaran suhu yang luas, elastisitas jangka panjang yang sangat baik |
| Bantalan poliuretan | 1,5–6 W/m·K | −40°C hingga 130°C | Ya | Tidak ada pelepasan gas, kompresibilitas yang baik |
| Bantalan akrilik | 2–8 W/m·K | −40°C hingga 125°C | Ya | Tegas, mudah ditangani dalam produksi |
| Materi perubahan fasa | 3–12 W/m·K | −40°C hingga 150°C | Bervariasi | Resistensi antarmuka terendah setelah siklus pertama |
Perilaku bantalan termal saat kompresi bisa dibilang lebih penting daripada nilai konduktivitas massalnya untuk kinerja paket baterai jangka panjang. Nilai konduktivitas termal pada lembar data diukur pada tekanan uji tertentu — biasanya 10 psi (69 kPa) atau lebih tinggi — yang mungkin sangat berbeda dari tegangan tekan sebenarnya yang dialami bantalan dalam modul baterai rakitan. Bantalan yang dikompresi di bawah tekanan pengujiannya akan memiliki ketahanan termal yang jauh lebih tinggi daripada yang disarankan dalam datasheet; bantalan yang dikompresi secara berlebihan mungkin mengurangi kepatuhan yang tersisa untuk akomodasi pembengkakan sel.
Dua properti terkait kompresi sangat penting untuk ditentukan dengan benar. Kumpulan kompresi mengukur berapa banyak deformasi permanen yang terakumulasi pada bantalan setelah kompresi berkelanjutan — dinyatakan sebagai persentase ketebalan asli yang hilang setelah periode tertentu di bawah beban. Satu set kompresi tinggi berarti pad secara bertahap menipis saat digunakan, mengurangi kemampuan mengisi celah dan kemampuannya melacak pembengkakan sel. Untuk paket baterai yang diharapkan dapat bertahan selama 10–15 tahun pengoperasian dengan ratusan ribu siklus pengisian daya, set kompresi harus di bawah 20% dalam kondisi suhu dan beban terburuk. Lendutan beban tekan menggambarkan hubungan antara tekanan yang diterapkan dan perubahan ketebalan bantalan — kurva ini menentukan apakah struktur penjepit modul akan menghasilkan tekanan berlebihan pada sel atau tekanan kontak yang tidak mencukupi pada bantalan termal pada titik kompresi desain.
Bantalan konduktif termal yang mengandung pengisi keramik keras dengan muatan tinggi (seperti aluminium nitrida atau boron nitrida) untuk mencapai nilai konduktivitas tinggi sering kali mengalami penurunan kompresibilitas dibandingkan dengan bantalan silikon yang diisi ringan. Hal ini merupakan trade-off material yang mendasar: semakin banyak filler akan meningkatkan konduktivitas namun mengurangi deformabilitas matriks. Perancang paket baterai yang bekerja dengan bantalan konduktivitas tinggi ini harus memastikan bahwa desain penjepit modul menghasilkan tekanan perakitan yang memadai untuk mencapai kontak permukaan yang diperlukan, tanpa melebihi beban tekan maksimum yang dapat ditoleransi sel — biasanya ditentukan oleh produsen sel sebagai tekanan tumpukan maksimum dalam kisaran 100–500 kPa tergantung pada format sel.
Pada sebagian besar arsitektur paket baterai EV, pelat pendingin berada pada potensial ground atau pada tegangan referensi sasis yang ditentukan, sedangkan selubung sel berada pada tegangan tinggi paket baterai. Bantalan termal di antara keduanya harus memberikan insulasi listrik yang andal untuk mencegah kebocoran arus, korsleting, dan gangguan ground yang akan memicu fungsi pemantauan isolasi sistem manajemen baterai atau, dalam kasus terburuk, menimbulkan bahaya sengatan listrik. Peran ganda ini – konduktif termal namun isolasi listrik – adalah salah satu paradoks teknik utama bahan antarmuka termal, karena sebagian besar konduktor termal yang baik (logam, grafit) juga merupakan konduktor listrik yang baik.
Solusinya terletak pada penggunaan bahan pengisi konduktif termal non-logam — khususnya boron nitrida heksagonal (hBN), aluminium oksida (Al₂O₃), dan aluminium nitrida (AlN) — yang memiliki konduktivitas termal 20–300 W/m·K dalam jumlah besar tetapi merupakan isolator listrik. Ketika didispersikan dalam matriks polimer pada fraksi volume tinggi, bahan pengisi ini menciptakan jaringan konduktif termal sementara matriks polimer isolasi mempertahankan isolasi listrik. Bantalan termal baterai EV yang diformulasikan dengan baik mencapai kekuatan dielektrik sebesar 10–30 kV/mm dan resistivitas volume melebihi 10¹² Ω·cm, memberikan margin nyaman di atas tegangan pengoperasian maksimum paket baterai otomotif saat ini (sistem 400V dan 800V).
Kekuatan dielektrik harus diverifikasi pada ketebalan bantalan tekan minimum yang akan terjadi dalam produksi, bukan pada ketebalan nominal. Jika bantalan 2 mm dikompresi menjadi 1,5 mm dalam modul rakitan, tegangan ketahanan dielektrik bantalan terkompresi adalah 25% lebih rendah dibandingkan dengan ketebalan penuh. Bantalan yang digunakan di dekat tepi logam yang tajam — fitur pelat pendingin, penutup ujung sel, tepi busbar — juga harus dinilai untuk mengetahui peningkatan medan listrik lokal yang terjadi pada diskontinuitas geometrik, yang dapat menyebabkan kerusakan dielektrik lokal pada tegangan jauh di bawah peringkat ketahanan medan seragam.
Bantalan termal baterai EV yang digunakan pada kendaraan produksi harus lulus serangkaian uji kualifikasi material komprehensif yang melampaui spesifikasi termal dan kelistrikan dasar. Standar material OEM otomotif jauh lebih ketat dibandingkan persyaratan industri umum, yang mencerminkan konsekuensi keselamatan dari kegagalan material pada paket baterai yang dipasang di kendaraan penumpang.
Semua bahan di bagian dalam paket baterai harus memenuhi klasifikasi mudah terbakar UL94 V-0 sebagai persyaratan minimum. V-0 berarti benda uji padam dengan sendirinya dalam waktu 10 detik setelah nyala api dihilangkan, tanpa ada tetesan bahan yang terbakar. Banyak OEM memerlukan pengujian tambahan terhadap FMVSS 302 (Standar Keamanan Kendaraan Bermotor Federal untuk sifat mudah terbakar interior) atau protokol uji kebakaran khusus OEM yang lebih mensimulasikan kondisi peristiwa pelarian termal baterai. Bantalan termal yang lolos UL94 V-0 dalam kondisi standar mungkin memerlukan kualifikasi ulang jika formulasi materialnya dimodifikasi untuk mengubah sifat konduktivitas atau kompresi — perilaku mudah terbakar sensitif terhadap konten dan jenis pengisi, dan perubahan yang meningkatkan kinerja termal terkadang mengurangi ketahanan api jika tidak dikelola dengan hati-hati.
Bahan interior paket baterai diuji untuk mengetahui emisi senyawa organik yang mudah menguap (VOC) dalam kondisi suhu tinggi yang menyimulasikan perendaman panas operasional dalam kasus terburuk. Kekhawatirannya bukan hanya kontaminasi silikon tetapi juga senyawa organik yang dapat mengendap di ventilasi sel, menghalangi penyerapan elektrolit, atau menciptakan konsentrasi uap yang mudah terbakar di dalam wadah kemasan yang tertutup rapat. VDA 278 (Analisis Desorpsi Termal) dan VDA 270 (Evaluasi Bau) adalah metode pengujian standar yang digunakan dalam rantai pasokan otomotif Jerman; JASO M902 mencakup persyaratan serupa untuk OEM Jepang. Pemasok harus memberikan data uji laboratorium pihak ketiga untuk protokol VOC ini sebagai bagian dari dokumentasi PPAP (Proses Persetujuan Bagian Produksi) yang diperlukan sebelum pengadaan produksi massal.
Pengujian keandalan jangka panjang untuk bantalan termal baterai EV biasanya mencakup siklus termal antara suhu rendam dingin minimum (−40°C) dan suhu operasional maksimum (85°C hingga 105°C), selama 500–1.000 siklus, sambil mengukur perubahan ketahanan termal dan respons beban tekan secara berkala. Kriteria penerimaan mengharuskan peningkatan ketahanan termal tidak lebih dari 10–20% dari nilai awal selama durasi pengujian penuh — persyaratan ketat yang menghilangkan material yang terdegradasi melalui pengendapan partikel pengisi, pemotongan rantai polimer, atau pengerasan oksidatif selama masa pakai kendaraan yang diharapkan yaitu 10–15 tahun.
Menentukan bantalan termal baterai EV untuk desain paket baterai baru memerlukan pendekatan sistematis yang mencakup seluruh persyaratan fungsional sebelum mengevaluasi kandidat material. Berfokus hanya pada konduktivitas dan mengabaikan perilaku kompresi, insulasi listrik, atau kompatibilitas bahan kimia akan menghasilkan material berkualitas yang gagal dalam persyaratan layanan atau menimbulkan masalah perakitan produksi.
Melibatkan pemasok bantalan termal di awal program pengembangan paket baterai — sebelum dimensi struktur modul diselesaikan — memungkinkan ketebalan bantalan dan desain kompresi disesuaikan dengan arsitektur penjepit modul. Pendekatan tingkat sistem ini secara konsisten menghasilkan kinerja termal yang lebih baik dan total biaya perakitan yang lebih rendah dibandingkan melakukan retrofit spesifikasi pad ke dalam desain modul yang diselesaikan tanpa memperhitungkan perilaku mekanis pad.
Applet
Pusat Panggilan:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Hak Cipta © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Bahan dan Suku Cadang Komposit Isolasi untuk Industri Energi Bersih
cn