Text: Dr James Edmondson, forskningschef på IDTechEx
Nyckeln till en bredare användning av elfordon (EV) kommer att vara billigare modeller med ett mer lättillgängligt pris. Den dyraste komponenten i en elbil är batteripaketet. Förutom att öka energitätheten och minska kostnaden för battericellerna, är en annan väg till kostnadsminskning genom effektivare förpackning av cellerna.
Några av nyckelmaterialen inuti batteripaketet är termiska gränssnittsmaterial (TIM), som hjälper till att överföra värme från cellerna till kylmekanismen (vanligtvis en kall platta eller kylmedelskanaler).
Med trenden mot materialreduktion och eliminering inom EV-batteripaketet, kommer TIMs att överleva?
Den här artikeln kommer att diskutera några av metoderna för minskning och eliminering av TIM och hur sannolikt det är att dessa kommer att påverka TIM:s totala efterfrågan på elbilsmarknaden. IDTechEx rapport, ”Thermal Management for Electric Vehicles 2025-2035: Materials, Markets, and Technologies”, innehåller en omfattande uppdelning av TIM-marknaden för elbilar, med en analys av användningsfall som visar att TIM:s intensitet i elbilsproduktionsmodeller varierade mellan 0,14 kg /kWh till så lågt som 0,005 kg/kWh.
Cell-to-pack reducerar TIM-intensiteten
Cell-to-pack (CTP) är den mest accepterade filosofin när det gäller att minska material som används i ett batteripaket. Genom att stapla ihop alla celler utan individuella moduler kan olika material elimineras eller reduceras, inklusive modulhus och mellanmodulanslutningar.
Detta påverkar också TIMs, eftersom snarare än att ha TIMs inuti och utanför modulerna, krävs bara ett lager TIM direkt mellan cellerna och den kalla plattan. Detta minskar TIM-mängden per fordon drastiskt, och IDTechEx hittar en genomsnittlig minskning på nästan 50 %, även om detta varierar avsevärt beroende på den specifika batteridesignen.
Den mest extrema minskningen IDTechEx har observerat i storskaliga bilpaket är CATLs CTP 3.0-design. Detta använder expanderbara kylvätskekanaler som sitter mellan cellerna och ger tillräcklig termisk kontakt med cellytorna utan behov av mycket TIM. En relativt liten mängd TIM används dock fortfarande längs kanterna på dessa kylmedelskanaler.
Även om volymen av TIM som krävs minskar avsevärt, tenderar dessa TIM att spela en mer strukturell roll och kräver därför starkare vidhäftningsegenskaper (d.v.s. ett termiskt ledande lim) jämfört med deras motsvarigheter som används i modulära konstruktioner (dvs. ett mer gelliknande mellanrumsfyllmedel) .
Termiskt ledande lim tenderar att få ett högre pris per kg än mellanrumsfyllmedel, och därför kan en del av värdet som förloras genom materialreduktion återvinnas genom de högre materialpriserna.
Alternativa kylmetoder för att eliminera TIM
Förutom materialreduktion finns det batteridesigner som helt kan eliminera TIM. Xerotech (en batteritillverkare baserad i Irland) använder kylvätskekanaler mellan cylindriska celler som är gjorda av en polymer snarare än det typiska aluminiumet. Dessa kanaler kan expandera för att fylla mellanrummen mellan cellerna och bilda god termisk kontakt med cellerna.
Den österrikiska komponentleverantören Miba har designat en produkt som heter FLEXCooler som ersätter kalla plattor och TIMs med en flexibel kylkanal som expanderar för att fylla utrymmet runt cellerna. Det hävdar en minskning av råvaruanvändningen med 80 % jämfört med traditionella kylplattor av aluminium.
Nedsänkningskylning är en annan väg till eliminering av TIM, genom att ta bort de kalla plattorna och direkt sänka ner cellerna i en dielektrisk kylvätska. Detta ger utmärkt termisk homogenitet över battericellerna och batteripaketet. Den kommer dock med sina egna utmaningar kring vätsketätning, pumpval och ökad komplexitet. Av dessa skäl har nedsänkningskylning i stort sett varit kvar för högpresterande, effekttäta batteripaket, och IDTechEx förutspår att detta kommer att förbli det huvudsakliga användningsfallet.
IDTechEx utsikter
Ju större användning av cell-to-pack-batterier, desto mer generell trend kring effektiv packning av batterier, och desto mer TIM-fria design kommer att se en minskning av det genomsnittliga TIM-innehållet per EV-batteripaket. Men det finns fortfarande ett stort utbud av batteripaketdesigner på marknaden, och de flesta använder en betydande mängd TIM. Även med den genomsnittliga minskningen av TIM kommer den växande elbilsmarknaden att se efterfrågan på dessa material öka med den.
IDTechEx förutspår en 4,2-faldig ökning av TIMs efterfrågan 2035 jämfört med 2023 för att betjäna elbilsmarknaden på vägmarknader som bilar, skåpbilar, lastbilar, bussar, tvåhjulingar, trehjulingar och mikrobilar. IDTechEx rapport, ”Thermal Management for Electric Vehicles 2025-2035: Materials, Markets and Technologies”, tittar på den termiska hanteringen av batteriet, motorerna, kraftelektroniken och kabinen, med en djupdykning i strategier, komponenter, material, marknad aktier och prognoser till 2035.
För att ta reda på mer om denna IDTechEx-rapport, inklusive nedladdningsbara exempelsidor, besök www.IDTechEx.com/TMEV.
IDTechEx tillhandahåller pålitlig oberoende forskning om framväxande teknologier och deras marknader. Sedan 1999 har vi hjälpt våra kunder att förstå ny teknologi, deras leveranskedjor, marknadens krav, möjligheter och prognoser. För mer information, kontakta research@IDTechEx.com eller besök www.IDTechEx.com.
Foto: Guillermo López
