Montaje de baterías para movilidad eléctrica: adhesivos y compuestos de encapsulado para paquetes de baterías
El montaje de paquetes de baterías de ionen litio para vehículos eléctricos plantea exigencias muy elevadas a las tecnologías de unión. Los adhesivos, los compuestos de encapsulado y las juntas hacen mucho más que una simple fijación mecánica: garantizan la gestión térmica, la seguridad en caso de colisión, el aislamiento eléctrico y la protección contra la humedad. Este artículo técnico muestra qué materiales se utilizan en cada caso y qué deben tener en cuenta los ingenieros de baterías a la hora de seleccionarlos.
1. Retos en el montaje de baterías
Las modernas baterías para vehículos eléctricos combinan cientos de celdas individuales en unidades compactas y resistentes a los choques. Para ello, deben cumplir numerosos requisitos al mismo tiempo:
- Gestión térmica: las celdas de ionen litio generan calor durante la carga y la descarga. Sin una disipación eficiente del calor, existe el riesgo de un sobrecalentamiento. Los rellenos de huecos y las pastas térmicas deben minimizar la resistencia de contacto y disipar el calor de forma fiable hacia las placas de refrigeración.
- Resistencia a las vibraciones y a los choques: Las baterías están expuestas a vibraciones continuas y, en caso de choque, a fuerzas extremas. Los adhesivos estructurales deben ofrecer una alta resistencia al cizallamiento y absorción de energía sin volverse frágiles.
- Optimización del peso: cada kilogramo cuenta. Las uniones adhesivas sustituyen a las pesadas fijaciones mecánicas y permiten diseños ligeros con aluminio y composites.
- Protección IP: la humedad que se filtra puede provocar corrosión, corrientes de fuga y daños en las células. Los sistemas de sellado deben garantizar IP67 o IP68, incluso después de años y en amplios rangos de temperatura.
- Aislamiento eléctrico: los componentes de alto voltaje (hasta 800 V) requieren compuestos de encapsulado resistentes a la perforación con alta rigidez dieléctrica y distancias de fuga definidas.
La producción europea de baterías está creciendo rápidamente: las gigafábricas de Alemania, Hungría y Francia apuestan por procesos de fabricación automatizados. Por lo tanto, los sistemas adhesivos no solo deben ser convincentes desde el punto de vista técnico, sino que también deben ser reproducibles, dosificables y de curado rápido.
2. Adhesivos en la batería: ¿dónde se pegan?
Una batería típica consta de varios niveles jerárquicos. En cada punto se utilizan sistemas adhesivos específicos:
Unión célula a célula (Cell-to-Cell)
Las celdas cilíndricas (18650, 21700, 4680) o las celdas tipo bolsa se agrupan en módulos. Aquí se utilizan adhesivos elásticos que toleran la expansión térmica y, al mismo tiempo, disipan el calor. Las siliconas de dos componentes con conductividades térmicas de 1 a 3 W/m·K son el estándar. En las celdas prismáticas se suelen utilizar cintas adhesivas de espuma de acrilato que compensan las tolerancias.
De célula a módulo y de módulo a carcasa
Para fijar los módulos celulares en la carcasa de la batería se requieren adhesivos estructurales. Los sistemas basados en epoxi, como la serie Permabond ET500, ofrecen una resistencia al cizallamiento superior a 20 MPa y se curan incluso a temperatura ambiente. Como alternativa, se pueden utilizar poliuretanos de curado rápido, que alcanzan su máxima resistencia en tan solo 24 horas.
Fijación BMS
El sistema de gestión de baterías (BMS), con placas, sensores y dispositivos de control, debe montarse de forma que sea resistente a las vibraciones. Para ello son adecuadas las siliconas tixotrópicas, que no se corren después de la dosificación y ofrecen aislamiento eléctrico. Importante: no deben producirse emisiones corrosivas que puedan dañar los componentes electrónicos.
Pegado de placas refrigerantes
Entre los módulos celulares y las placas de refrigeración de aluminio, los rellenos de huecos deben minimizar las resistencias de contacto térmico. Estas siliconas altamente rellenas (con óxido de aluminio o nitruro de boro) alcanzan conductividades térmicas de hasta 5 W/m·K y compensan irregularidades de entre 0,5 y 3 mm. Productos como Bluesil TCS 4525 se endurecen a temperatura ambiente formando capas elásticas y no adhesivas.
3. Adhesivos estructurales para la seguridad en caso de colisión
En caso de colisión, las baterías deben mantener su integridad estructural y evitar daños en las celdas. Los adhesivos estructurales transfieren fuerzas a grandes superficies y absorben energía mediante una deformación plástica controlada.
Adhesivos estructurales epoxi
Los epoxis de dos componentes son la primera opción para uniones sometidas a grandes cargas. Ofrecen:
- Resistencia al cizallamiento de 20 a 35 MPa (según DIN EN 1465)
- Resistencia a temperaturas de hasta 150 °C (brevemente hasta 180 °C)
- Excelente adherencia al aluminio, acero y compuestos
- Baja contracción durante el endurecimiento
La serie Permabond ET5145 combina una alta resistencia con flexibilidad y está especialmente indicada para aplicaciones automovilísticas. Perfiles de curado típicos: 1 hora a 80 °C o 7 días a 23 °C.
Adhesivos estructurales de poliuretano
Los adhesivos de PU ofrecen un equilibrio entre resistencia y elasticidad. Con durezas Shore entre 60 A y 70 D, son especialmente adecuados para combinaciones de materiales con diferentes coeficientes de dilatación. La elongación de rotura superior al 100 % permite la absorción de energía en caso de colisión.
Requisitos de choque según UN ECE R100
La normativa n.º 100 de la ONU exige que los componentes de alto voltaje permanezcan protegidos en caso de colisión frontal, lateral o trasera. Las baterías deben soportar perfiles de aceleración definidos sin que se produzcan fugas de electrolito ni cortocircuitos. Las uniones adhesivas forman parte de la estructura de choque y deben tenerse en cuenta en las simulaciones FEM.
4. Materiales de interfaz térmica (TIM)
La disipación del calor del paquete de baterías es fundamental para su vida útil y seguridad. Los materiales de interfaz térmica cierran los espacios de aire entre la fuente de calor y el disipador térmico y reducen la resistencia térmica.
Relleno de huecos
Los rellenos de huecos son siliconas pastosas o tixotrópicas que rellenan huecos de entre 0,5 y 5 mm. Una vez endurecidos, siguen siendo elásticos y compensan la dilatación térmica. Conductividades térmicas típicas:
- Relleno de huecos estándar: 1,5 a 2,5 W/m·K
- Relleno de huecos de alto rendimiento: de 3 a 5 W/m·K
- Productos especiales con relleno cerámico: hasta 7 W/m·K
Lo importante es la procesabilidad: los rellenos de huecos deben poder dosificarse (impresión con plantilla, dispensación) y no deben formar burbujas de aire. Los productos Bluesil TCS están especialmente diseñados para líneas de montaje de baterías automatizadas.
Pastas térmicas
Para capas finas (menos de 0,3 mm), las pastas térmicas ofrecen una resistencia térmica menor que los rellenos de huecos. Mantienen su consistencia pastosa y requieren presión mecánica. Aplicación: entre componentes BMS y carcasas metálicas.
Almohadillas térmicas
Las almohadillas de silicona prefabricadas (materiales de cambio de fase) se funden a temperatura de funcionamiento y se adaptan a la superficie. Ventaja: procesamiento limpio, sin dosificación. Desventaja: mayor resistencia térmica que los rellenos de huecos con el mismo grosor.
5. Compuestos de encapsulado para BMS y electrónica de potencia
Los dispositivos de control electrónico, los conectores de alto voltaje y los carriles de distribución de corriente se encapsulan para protegerlos de la humedad, las vibraciones y las cargas mecánicas.
Compuestos de silicona para encapsulado
Las siliconas de dos componentes son la tecnología dominante para el encapsulado BMS. Ventajas:
- Resistencia a temperaturas de entre -60 °C y +200 °C
- Excelente aislamiento eléctrico (resistencia dieléctrica superior a 20 kV/mm)
- Elasticidad permanente (Shore A 20 a 60)
- Sin emisiones corrosivas
- Reparabilidad: la silicona se puede eliminar mecánicamente.
La serie Bluesil RTV 3400 ofrece diferentes viscosidades para el procesamiento manual y automatizado. Tiempo de vida útil típico: de 30 a 90 minutos. Endurecimiento a temperatura ambiente en 24 a 48 horas, acelerado a 60 °C en 2 a 4 horas.
Compuestos de poliuretano para relleno
Los compuestos de encapsulado de PU se endurecen hasta alcanzar sistemas más duros (Shore A 70 a Shore D 60) y ofrecen una mayor resistencia mecánica. Son más económicos que las siliconas, pero menos resistentes a la temperatura (normalmente de -40 °C a +120 °C). Aplicación: encapsulado de sensores y electrónica de bajo voltaje.
Protección IP67/68
Las baterías deben tener como mínimo un grado de protección IP67 (protección contra inmersión temporal). Por lo tanto, los compuestos de encapsulado deben:
- Se deben moldear sin dejar huecos (se recomienda el moldeo al vacío).
- Adherirse de forma permanente a los pasamuros de la carcasa
- No muestran absorción de agua (menos del 0,5 % según la norma DIN EN 60068).
- Mantener la estanqueidad en todo el rango de temperaturas
6. Comparación de materiales según su aplicación
| Aplicación | Material | Propiedad | Valor típico |
|---|---|---|---|
| Unión célula a célula | Silicona termoconductora (2K) | conductividad térmica | 2,0 - 3,0 W/m·K |
| Pegado estructural de la carcasa del módulo | Adhesivo estructural epoxi | resistencia al cizallamiento | 25 - 35 MPa |
| Relleno de huecos (placa de refrigeración de celdas) | Silicona de alto rendimiento | Conductividad térmica / Dureza Shore | 3,5 - 5,0 W/m·K / Shore A 40 |
| Encapsulado BMS | Compuesto de silicona para sellado | Resistencia a la perforación / Temp. | > 20 kV/mm / -60 a +200 °C |
| Junta de la carcasa | Silicon FIPG (1K) | Clase de protección IP / Endurecimiento | IP67/68 / 24 h a 23 °C |
| Conector de alto voltaje | Relleno de poliuretano | Dureza Shore / Resistencia al desgarro | Shore D 50 / 15 MPa |
7. Juntas y sellos para carcasas de baterías
La carcasa de la batería debe estar sellada de forma permanente contra la humedad, el polvo y las salpicaduras de agua. Hay tres tecnologías que predominan:
FIPG (junta formada in situ)
Las juntas líquidas se aplican con ayuda de robots en forma de cordones y se endurecen hasta convertirse en juntas elásticas. Las siliconas monocomponentes (RTV-1) se endurecen con la humedad del aire en 24 horas. Ventajas: no es necesario almacenar juntas de diferentes geometrías, se puede automatizar, calidad constante. Importante: dosificación precisa (anchura de cordón de 3 a 5 mm) y junta definida (0,5 a 1,5 mm).
Juntas de butilo
Los cordones de butilo preconfeccionados mantienen su adherencia de forma permanente y sellan mediante presión mecánica. Son económicos y rápidos de procesar, pero ofrecen una menor resistencia a la temperatura que las siliconas (normalmente de -30 °C a +90 °C).
Sistemas de sellado híbridos
Combinación de junta mecánica (junta tórica) y junta líquida adicional para las exigencias más elevadas. Aplicación en carcasas IP68 para paquetes de baterías subterráneas.
8. Normas y cualificaciones para materiales de baterías
Los adhesivos y compuestos de encapsulado para paquetes de baterías deben superar exhaustivas pruebas:
UN ECE R100
Normativa de la ONU sobre seguridad eléctrica de vehículos de alto voltaje. Exige ensayos de resistencia mecánica, aislamiento eléctrico y comportamiento frente al fuego. Los adhesivos forman parte de la estructura de choque y deben incluirse en la certificación global.
GB/T 31467 (China)
Norma china para sistemas de baterías de iones de litio. Exige, entre otras cosas, ensayos de choque térmico (de -40 °C a +85 °C) y ensayos de vibración según la norma ISO 16750-3.
LV 123 (Grupo Volkswagen)
Especificación de ensayo para componentes eléctricos y electrónicos. Define ensayos de cambio climático, ensayos de corrosión y ensayos de desgasificación. Los adhesivos deben acreditar las homologaciones según LV 123 K01 (ensayo de cambio climático).
UL94 V-0 (retardante de llama)
Requisito de materiales autoextinguibles. Los compuestos de encapsulado y los adhesivos deben estar clasificados como mínimo como V-1 según UL94, idealmente como V-0. Importante: sin halógenos para reducir la emisión de humos.
REACH y RoHS
Reglamento europeo sobre productos químicos y restricción de sustancias peligrosas. Todos los materiales deben cumplir con los requisitos de REACH y RoHS. Atención especial: las sustancias SVHC (sustancias extremadamente preocupantes) deben declararse.
9. Consejos para el procesamiento del montaje de baterías
Automatización de la dosificación
La fabricación moderna de baterías está totalmente automatizada. Los adhesivos y los compuestos de encapsulado se aplican mediante sistemas de dosificación:
- Bombas de engranajes: para materiales de baja viscosidad (menos de 10 000 mPa·s)
- Bombas de tornillo excéntrico: para rellenos de huecos altamente cargados y materiales tixotrópicos
- Cartuchos neumáticos: para procesamiento manual y prototipos
- Instalaciones de encapsulado al vacío: para el encapsulado BMS sin cavidades
Importante: los materiales deben presentar una viscosidad constante en todos los lotes. Se aceptan tolerancias de ±10 %, pero las fluctuaciones mayores requieren un ajuste de los parámetros de dosificación.
Tiempos de endurecimiento y tiempos de ciclo
El endurecimiento rápido es fundamental para obtener altos rendimientos. Estrategias:
- Cámaras térmicas (60 a 80 °C) para el endurecimiento acelerado de epoxis y siliconas.
- Acrilatos curables por UV para encapsulado instantáneo (nicho: fijación de sensores)
- Epoxidos rápidos con un tiempo de fijación de 15 minutos a temperatura ambiente.
Atención: un endurecimiento demasiado rápido puede provocar tensiones. Es esencial validar el proceso mediante perfiles de temperatura.
Preparación de superficies
Las superficies de aluminio deben desengrasarse (isopropanol) y, en su caso, pretratarse con plasma o corona. Los materiales compuestos suelen requerir imprimación para una adhesión óptima. Compruebe minuciosamente las superficies pintadas: la rotura de la adhesión puede producirse en la pintura, no en el adhesivo.
Reelaboración y reparabilidad
Las uniones y los encapsulados de silicona se pueden eliminar mecánicamente (cortando, fresando). Las uniones de epoxi son prácticamente indisolubles y requieren un desmontaje destructivo. Diseño para reelaboración: prever juntas de separación, diseñar módulos intercambiables.
10. Preguntas frecuentes (FAQ)
Los adhesivos y compuestos de encapsulado cualificados están diseñados para toda la vida útil del vehículo (normalmente entre 10 y 15 años o entre 3000 y 5000 ciclos de carga). La selección de los materiales y la calidad del proceso son factores decisivos. Las siliconas no muestran fragilidad incluso después de 20 años en pruebas de aceleración (Arrhenius). Los epoxis pueden endurecerse y volverse frágiles si se someten a temperaturas elevadas superiores a 120 °C durante un periodo prolongado, por lo que los perfiles de temperatura son fundamentales en las especificaciones técnicas.
Depende del sistema adhesivo. Las uniones con silicona se pueden separar mecánicamente (cortando con alambre o cuchilla). Los adhesivos estructurales a base de epoxi son prácticamente indisolubles, por lo que es necesario un desmontaje destructivo. En los diseños modernos Cell-to-Pack (CTP), las celdas se integran directamente en la carcasa y no está previsto su sustitución. Los diseños modulares con uniones atornilladas y adhesivos permiten una mejor reparabilidad, pero requieren más espacio de instalación.
El requisito mínimo es UL94 V-1 (prueba de combustión vertical, autoextinguible en 30 segundos). Las aplicaciones premium exigen UL94 V-0 (autoextinguible en 10 segundos, sin goteo en llamas). Además, cada vez se exige más un LOI (índice de oxígeno límite) superior al 28 %. Las formulaciones sin halógenos son estándar para evitar gases tóxicos en caso de incendio. Importante: la protección contra las llamas no debe afectar a las propiedades térmicas y eléctricas.
Las celdas de batería se expanden durante la carga y los cambios de temperatura (normalmente entre 0,5 y 2 mm en formatos grandes). Los adhesivos elásticos con un módulo de elasticidad bajo (menos de 10 MPa) compensan estos movimientos. Los rellenos de huecos con Shore A de 20 a 40 son ideales. En el caso de uniones estructurales con epoxis rígidos, la junta adhesiva debe dimensionarse de manera que se absorban las tensiones de cizallamiento. Regla general: cuanto mayor sea la diferencia de temperatura y más diferentes sean los materiales (aluminio frente a compuesto), más elástico debe ser el adhesivo.
Sí, la producción moderna de baterías está altamente automatizada. Los sistemas de dosificación con aplicadores guiados por robots alcanzan precisiones de ±1 %. El control en línea mediante sistemas de cámaras (Beadvision) comprueba la geometría y el posicionamiento de los cordones. Son fundamentales la consistencia del material (viscosidad, proporción de la mezcla) y las condiciones ambientales (temperatura, humedad del aire en el caso de las siliconas RTV-1). Los grandes fabricantes apuestan por sistemas de suministro de material cerrados con control de temperatura y mezcla continua. Los tiempos de ciclo inferiores a 60 segundos por paquete de baterías son el estado actual de la técnica.
Advertencia de seguridad: Trabajar con baterías de alto voltaje
Las baterías contienen tensiones de hasta 800 V con corrientes elevadas. Solo personal cualificado con formación en alta tensión (HV-1, HV-2, HV-3 según la información 200-005 de la DGUV) puede realizar trabajos en ellas. Antes de abrir el paquete: compruebe que no haya tensión, respete las 5 reglas de seguridad y utilice equipo de protección personal (herramientas aisladas, protección facial). Las células de iones de litio pueden sufrir un sobrecalentamiento si se dañan; nunca las someta a cargas mecánicas ni las cortocircuite.
