リチウム用相変化材料

近年、電気自動車ではリチウムイオン電池の普及が進んでいますが、その性能は温度に大きく影響されます。 極端な暑さや寒さは、容量の大幅な損失を引き起こし、安全上の問題を引き起こす可能性があります。 高エネルギー密度のリチウムイオン電池は大量の熱を発生します。 バッテリーの安定性、寿命、車両の安全性を確保するには、バッテリーを効果的に放散することが重要です。 これらの目標を達成するには、バッテリー熱管理システム (BTMS) の実装が重要な役割を果たします。 BTMS の主な目的は、バッテリー セルの温度を調整し、それによってバッテリー システム全体の寿命を延ばすことです。

PURE EV のプロジェクト マネージャー (バッテリーおよびパワートレイン) である Srinivas Burla によるこの記事では、バッテリーの熱管理システムの種類と、バッテリー冷却に相変化材料を使用する利点について説明します。

BTMS では、拡張表面、浸漬冷却、コールド プレート、熱電冷却器、相変化材料、シリコン パッドやポッティング材料の使用など、さまざまな技術が利用されています。BTMSは主に2つのタイプに分類できます:

アクティブなメソッド:これらの方法は、動作を容易にするために外部電源に依存します。 加熱および/または冷却のための機構が組み込まれています。

受動的メソッド:パッシブ BTMS は、その動作に外部電源を必要としません。 周囲環境を利用して熱を放散します。 外部電源を必要としないため、熱管理システムの開発分野で最も求められている方法です。 これらの方法には、コンパクトで複雑さが少なく、安全でコスト効率が高く、ライフサイクルが向上するという利点もあります。

PCM または相変化材料は、固液相変化中に温度を過度に変化させることなく大量の熱を吸収します。パッシブ熱管理システムは、余分なエネルギーを消費しなくても、相変化温度内でバッテリー温度を均一に制御できます。バッテリーパックに相変化材料を使用する場合に考慮すべきパラメータは次のとおりです。

熱伝導率：高い熱伝導率により、熱の放散と分布が向上し、バッテリーセルからの熱の伝達が促進されます。

融点：溶解温度範囲は、バッテリー パックの望ましい動作温度範囲と一致します。 バッテリーが溶解温度を超えると熱を吸収し、固化するときに熱を放出します。

潜熱：高い融解潜熱は、相変化プロセス中に吸収または放出されるエネルギー量です。 高い潜熱により、PCM はより多くの熱エネルギーを吸収または放出できるため、バッテリー パックの温度を効果的に制御できます。

サイクルの安定性:長期的な信頼性を確保するには、PCM は複数の加熱および冷却サイクルにわたって安定している必要があります。 熱特性に重大な劣化や変化が生じることなく、繰り返し相転移を起こすことができなければなりません。

互換性:副作用や性能の問題を避けるために、PCM はバッテリー パックのコンポーネントおよび材料と化学的に適合する必要があります。 バッテリーセルやその他のコンポーネントの腐食や劣化を引き起こしてはなりません。

密度：密度が高くなると、所定の体積により多くの熱が蓄えられるため、スペースが限られている用途では有益です。

相変化材料はさまざまなクラスに分類でき、その中でもパラフィンワックスはエレクトロニクスの熱管理に広く使用されています。これらのワックスは、重量に比べて高い融解熱、選択できる幅広い融点、信頼性の高いサイクル性能、非腐食性、化学的不活性など、いくつかの有利な特性を備えています。 ほとんどの金属と互換性があるため、適切な選択となります。 もう 1 つの注目すべき特徴は、大量の潜熱を蓄える能力であり、広い温度スペクトルにわたって利用可能です。