Assemblaggio batterie per la mobilità elettrica: adesivi e composti di riempimento per pacchi batteria
Il montaggio dei pacchi batteria agli ioni di litio per veicoli elettrici pone requisiti molto elevati alle tecnologie di giunzione. Adesivi, composti di riempimento e guarnizioni svolgono molto più di una semplice funzione di fissaggio meccanico: garantiscono la gestione termica, la sicurezza in caso di urto, l'isolamento elettrico e la protezione dall'umidità. Questo articolo tecnico mostra quali materiali vengono utilizzati e dove, e a cosa devono prestare attenzione gli ingegneri che si occupano di batterie nella scelta dei materiali.
1. Sfide nell'assemblaggio delle batterie
I moderni pacchi batteria per veicoli elettrici combinano centinaia di singole celle in unità compatte e resistenti agli urti. A tal fine devono essere soddisfatti contemporaneamente numerosi requisiti:
- Gestione termica: le celle agli ioni di litio generano calore durante la carica e la scarica. Senza un'efficiente dissipazione del calore, si rischia il surriscaldamento. I gap filler e le paste termoconduttive devono ridurre al minimo le resistenze di contatto e dissipare il calore in modo affidabile alle piastre di raffreddamento.
- Resistenza alle vibrazioni e agli urti: i pacchi batteria sono sottoposti a vibrazioni continue e, in caso di urto, a forze estreme. Gli adesivi strutturali devono offrire un'elevata resistenza al taglio e un elevato assorbimento di energia senza diventare fragili.
- Ottimizzazione del peso: ogni chilogrammo conta. I giunti incollati sostituiscono i pesanti fissaggi meccanici e consentono di realizzare strutture leggere in alluminio e materiali compositi.
- Protezione IP: l'umidità penetrante può causare corrosione, correnti di dispersione e danni alle celle. I sistemi di tenuta devono garantire IP67 o IP68, anche dopo anni e in ampi intervalli di temperatura.
- Isolamento elettrico: i componenti ad alta tensione (fino a 800 V) richiedono composti di riempimento resistenti alla perforazione con elevata rigidità dielettrica e distanze di dispersione definite.
La produzione europea di batterie sta crescendo rapidamente: le gigafactory in Germania, Ungheria e Francia puntano su processi di produzione automatizzati. I sistemi adesivi devono quindi non solo essere convincenti dal punto di vista tecnico, ma anche essere dosabili in modo riproducibile e indurirsi rapidamente.
2. Adesivi nel pacco batterie: dove vengono incollati?
Un tipico pacco batterie è costituito da diversi livelli gerarchici. In ogni punto vengono utilizzati sistemi adesivi specifici:
Incollaggio cellula-cellula (Cell-to-Cell)
Le celle cilindriche (18650, 21700, 4680) o le celle a sacchetto vengono raggruppate in moduli. In questo caso vengono utilizzati adesivi elastici che tollerano la dilatazione termica e allo stesso tempo dissipano il calore. I siliconi bicomponenti con conducibilità termica da 1 a 3 W/m·K sono lo standard. Per le celle prismatiche vengono spesso utilizzati nastri adesivi in schiuma acrilica che compensano le tolleranze.
Da cella a modulo e da modulo a involucro
Per il fissaggio dei moduli cellulari nell'alloggiamento della batteria sono necessari adesivi strutturali. I sistemi a base epossidica come la serie Permabond ET500 offrono una resistenza al taglio superiore a 20 MPa e polimerizzano anche a temperatura ambiente. In alternativa, è possibile utilizzare poliuretani a polimerizzazione rapida, che raggiungono la loro piena resistenza già dopo 24 ore.
Fissaggio BMS
Il sistema di gestione della batteria (BMS) con schede, sensori e dispositivi di controllo deve essere montato in modo da resistere alle vibrazioni. A questo scopo sono indicati i siliconi tixotropici, che dopo il dosaggio non colano e garantiscono l'isolamento elettrico. Importante: nessun degassamento corrosivo che potrebbe danneggiare i componenti elettronici.
Incollaggio delle piastre di raffreddamento
Tra i moduli cellulari e le piastre di raffreddamento in alluminio, i riempitivi devono ridurre al minimo le resistenze termiche di contatto. Questi siliconi altamente riempiti (con ossido di alluminio o nitruro di boro) raggiungono conducibilità termiche fino a 5 W/m·K e compensano irregolarità da 0,5 a 3 mm. Prodotti come Bluesil TCS 4525 induriscono a temperatura ambiente formando strati elastici e non adesivi.
3. Adesivi strutturali per la sicurezza in caso di urto
In caso di incidente, i pacchi batteria devono mantenere l'integrità strutturale e impedire il danneggiamento delle celle. Gli adesivi strutturali trasferiscono le forze su grandi superfici e assorbono l'energia attraverso una deformazione plastica controllata.
Adesivi strutturali epossidici
Gli epossidici bicomponenti sono la scelta ideale per incollaggi sottoposti a sollecitazioni elevate. Offrono:
- Resistenza al taglio da 20 a 35 MPa (secondo DIN EN 1465)
- Resistenza alla temperatura fino a 150 °C (brevemente fino a 180 °C)
- Ottima adesione su alluminio, acciaio e materiali compositi
- Ritiro minimo durante l'indurimento
La serie Permabond ET5145 combina elevata resistenza e flessibilità ed è specificamente qualificata per applicazioni automobilistiche. Profili di polimerizzazione tipici: 1 ora a 80 °C o 7 giorni a 23 °C.
Adesivi strutturali poliuretanici
Gli adesivi PU offrono un equilibrio tra resistenza ed elasticità. Con durezze Shore comprese tra 60 A e 70 D, sono particolarmente adatti per combinazioni di materiali con coefficienti di dilatazione diversi. L'allungamento a rottura superiore al 100% consente l'assorbimento di energia in caso di urto.
Requisiti di resistenza agli urti secondo UN ECE R100
La normativa UN n. 100 richiede che i componenti ad alta tensione rimangano protetti in caso di impatto frontale, laterale e posteriore. I pacchi batteria devono resistere a profili di accelerazione definiti senza perdite di elettroliti o cortocircuiti. I giunti incollati fanno parte della struttura antiurto e devono essere presi in considerazione nelle simulazioni FEM.
4. Materiali di interfaccia termica (TIM)
La dissipazione del calore dal pacco batterie è fondamentale per la durata e la sicurezza. I materiali di interfaccia termica colmano gli spazi vuoti tra la fonte di calore e il dissipatore di calore, riducendo la resistenza termica.
Gap-Filler
I gap filler sono siliconi pastosi o tixotropici che riempiono fessure da 0,5 a 5 mm. Dopo l'indurimento rimangono elastici e compensano la dilatazione termica. Conducibilità termica tipica:
- Gap filler standard: da 1,5 a 2,5 W/m·K
- Riempitivo ad alte prestazioni: da 3 a 5 W/m·K
- Prodotti speciali con riempimento ceramico: fino a 7 W/m·K
È importante la lavorabilità: i gap filler devono essere dosabili (stampa con stencil, erogazione) e non devono formare bolle d'aria. I prodotti Bluesil TCS sono stati sviluppati appositamente per le linee di assemblaggio batterie automatizzate.
Paste termoconduttive
Per strati sottili (inferiori a 0,3 mm), le paste termoconduttive offrono resistenze termiche inferiori rispetto ai gap filler. Rimangono permanentemente pastose e richiedono una pressione meccanica. Applicazione: tra componenti BMS e alloggiamenti metallici.
Cuscinetti termoconduttivi
I cuscinetti in silicone preconfezionati (materiali a cambiamento di fase) fondono alla temperatura di esercizio e si adattano alla superficie. Vantaggio: lavorazione pulita, nessun dosaggio. Svantaggio: resistenza termica superiore rispetto ai riempitivi di spazi vuoti a parità di spessore.
5. Composti di riempimento per BMS ed elettronica di potenza
Le centraline elettroniche, i connettori ad alta tensione e le barre di distribuzione dell'energia elettrica vengono sigillati per proteggerli dall'umidità, dalle vibrazioni e dalle sollecitazioni meccaniche.
Composti di silicone per sigillatura
I siliconi bicomponenti sono la tecnologia dominante per l'incapsulamento BMS. Vantaggi:
- Resistenza alla temperatura da -60 °C a +200 °C
- Eccellente isolamento elettrico (rigidità dielettrica superiore a 20 kV/mm)
- Elasticità permanente (Shore A da 20 a 60)
- Nessuna emissione di gas corrosivi
- Riparabilità: il silicone può essere rimosso meccanicamente
La serie Bluesil RTV 3400 offre diverse viscosità per la lavorazione manuale e automatizzata. Tempo di lavorabilità tipico: da 30 a 90 minuti. Indurimento a temperatura ambiente in 24-48 ore, accelerato a 60 °C in 2-4 ore.
Masse di riempimento in poliuretano
I composti di riempimento in PU induriscono formando sistemi più resistenti (da Shore A 70 a Shore D 60) e offrono una maggiore resistenza meccanica. Sono più economici dei siliconi, ma meno resistenti alle temperature (tipicamente da -40 °C a +120 °C). Applicazione: riempimento di sensori ed elettronica a bassa tensione.
Protezione IP67/68
I pacchi batteria richiedono almeno IP67 (protezione contro l'immersione temporanea). I composti di riempimento devono quindi:
- Essere colati senza lasciare alcuna cavità (si consiglia il colaggio sottovuoto)
- Aderiscono in modo permanente ai passanti dell'alloggiamento
- Non assorbono acqua (meno dello 0,5% secondo la norma DIN EN 60068)
- Rimanere a tenuta stagna su tutto l'intervallo di temperatura
6. Confronto dei materiali in base all'applicazione
| Applicazione | Materiale | Caratteristica | Valore tipico |
|---|---|---|---|
| Incollaggio cellula per cellula | Silicone termoconduttivo (2K) | conducibilità termica | 2,0 - 3,0 W/m·K |
| Incollaggio strutturale dell'alloggiamento del modulo | Adesivo strutturale epossidico | resistenza al taglio | 25 - 35 MPa |
| Gap-Filler (piastra di raffreddamento delle celle) | Silicone ad alte prestazioni | Conducibilità termica / Durezza Shore | 3,5 - 5,0 W/m·K / Shore A 40 |
| Colata BMS | Massa di riempimento in silicone | Resistenza alla perforazione / Temp. | > 20 kV/mm / da -60 a +200 °C |
| Guarnizione dell'alloggiamento | Silicone FIPG (1K) | Classe di protezione IP / Indurimento | IP67/68 / 24 ore a 23 °C |
| Connettori ad alta tensione | Colata di poliuretano | Durezza Shore / Resistenza allo strappo | Shore D 50 / 15 MPa |
7. Guarnizioni e guarnizioni per alloggiamenti batterie
L'alloggiamento della batteria deve essere sigillato in modo permanente contro umidità, polvere e spruzzi d'acqua. Tre tecnologie dominano il mercato:
FIPG (guarnizione formata in loco)
Le guarnizioni liquide vengono applicate con l'ausilio di robot sotto forma di cordoli e induriscono formando guarnizioni elastiche. I siliconi monocomponente (RTV-1) induriscono con l'umidità dell'aria in 24 ore. Vantaggi: nessuna necessità di stoccare guarnizioni di diverse geometrie, automatizzabile, qualità costante. Importante: dosaggio preciso (larghezza del cordone da 3 a 5 mm) e giunti definiti (da 0,5 a 1,5 mm).
Guarnizioni in butile
I cordoni in butile preconfezionati rimangono permanentemente adesivi e sigillano grazie alla pressione meccanica. Sono economici e veloci da lavorare, ma offrono una resistenza termica inferiore rispetto ai siliconi (tipicamente da -30 °C a +90 °C).
Sistemi di tenuta ibridi
Combinazione di guarnizione meccanica (O-ring) e guarnizione liquida aggiuntiva per i requisiti più elevati. Applicazione in custodie IP68 per pacchi batteria sottopavimento.
8. Norme e qualifiche per i materiali delle batterie
Gli adesivi e i composti di riempimento per i pacchi batteria devono superare test approfonditi:
UN ECE R100
Normativa UN per la sicurezza elettrica dei veicoli ad alta tensione. Richiede prove di resistenza meccanica, isolamento elettrico e comportamento al fuoco. Gli adesivi fanno parte della struttura antiurto e devono essere inclusi nella certificazione complessiva.
GB/T 31467 (Cina)
Standard cinese per i sistemi di batterie agli ioni di litio. Richiede, tra l'altro, prove di shock termico (da -40 °C a +85 °C) e prove di vibrazione secondo la norma ISO 16750-3.
LV 123 (Gruppo Volkswagen)
Specifiche di prova per componenti elettrici ed elettronici. Definisce prove di cambiamento climatico, prove di corrosione e prove di degassamento. Gli adesivi devono dimostrare di essere conformi alla norma LV 123 K01 (prova di cambiamento climatico).
UL94 V-0 (ignifugo)
Richiesta di materiali autoestinguenti. I composti di riempimento e gli adesivi devono essere classificati almeno V-1 secondo UL94, idealmente V-0. Importante: senza alogeni per ridurre lo sviluppo di fumi.
REACH e RoHS
Regolamento europeo sulle sostanze chimiche e restrizione delle sostanze pericolose. Tutti i materiali devono essere conformi al regolamento REACH e alla direttiva RoHS. Particolare attenzione: le sostanze SVHC (Substances of Very High Concern) devono essere dichiarate.
9. Consigli per la lavorazione dell'assemblaggio delle batterie
Automazione del dosaggio
La produzione moderna di batterie è completamente automatizzata. Gli adesivi e i composti di riempimento vengono applicati tramite sistemi di dosaggio:
- Pompe a ingranaggi: per materiali a bassa viscosità (inferiore a 10.000 mPa·s)
- Pompe a vite eccentrica: per gap filler altamente riempiti e materiali tixotropici
- Cartucce pneumatiche: per lavorazioni manuali e prototipi
- Impianti di colata sottovuoto: per la colata BMS senza cavità
Importante: i materiali devono presentare viscosità costanti tra i diversi lotti. Sono accettabili tolleranze del ±10 percento, mentre variazioni maggiori richiedono un adeguamento dei parametri di dosaggio.
Tempi di indurimento e tempi di ciclo
L'indurimento rapido è fondamentale per ottenere elevate velocità di produzione. Strategie:
- Camere di riscaldamento (da 60 a 80 °C) per l'indurimento accelerato di resine epossidiche e siliconi
- Acrilati indurenti ai raggi UV per incollaggio rapido (nicchia: fissaggio di sensori)
- Epossidi rapidi con tempo di fissaggio di 15 minuti a temperatura ambiente
Attenzione: un indurimento troppo rapido può causare tensioni. È essenziale la convalida del processo tramite profili di temperatura.
Preparazione delle superfici
Le superfici in alluminio devono essere sgrassate (isopropanolo) ed eventualmente pretrattate con plasma o corona. I materiali compositi richiedono spesso un primer per un'adesione ottimale. Controllare attentamente le superfici verniciate: la rottura dell'adesione può verificarsi sulla vernice, non sull'adesivo.
Rielaborazione e riparabilità
Gli incollaggi e le sigillature in silicone possono essere rimossi meccanicamente (taglio, fresatura). Gli incollaggi epossidici sono praticamente indissolubili e richiedono uno smontaggio distruttivo. Design for Rework: prevedere giunti di separazione, progettare moduli intercambiabili.
10. Domande frequenti (FAQ)
Gli adesivi e i composti di riempimento qualificati sono progettati per durare per l'intera vita utile del veicolo (in genere da 10 a 15 anni o da 3.000 a 5.000 cicli di ricarica). La scelta dei materiali e la qualità del processo sono fattori decisivi. Anche dopo 20 anni, i siliconi non mostrano segni di infragilimento nei test di accelerazione (Arrhenius). Gli epossidi possono indurirsi ulteriormente e infragilirsi se sottoposti a temperature elevate superiori a 120 °C per periodi prolungati, pertanto i profili di temperatura sono fondamentali nelle specifiche tecniche.
Dipende dal tipo di adesivo utilizzato. Gli incollaggi in silicone possono essere separati meccanicamente (taglio con filo metallico o lama). Gli adesivi strutturali a base epossidica sono praticamente indissolubili: in questo caso è necessario uno smontaggio distruttivo. Nei moderni design Cell-to-Pack (CTP), le celle sono integrate direttamente nell'alloggiamento e non è prevista la sostituzione. Le strutture modulari con collegamenti a vite e adesivo consentono una migliore riparabilità, ma richiedono più spazio di installazione.
Il requisito minimo è UL94 V-1 (prova di combustione verticale, autoestinguente entro 30 secondi). Le applicazioni premium richiedono UL94 V-0 (autoestinguente entro 10 secondi, nessuna gocciolatura infiammabile). Inoltre, è sempre più richiesto un LOI (Limiting Oxygen Index) superiore al 28%. Le formulazioni prive di alogeni sono lo standard per evitare la formazione di gas tossici in caso di incendio. Importante: la protezione antincendio non deve compromettere le proprietà termiche ed elettriche.
Le celle delle batterie si espandono durante la ricarica e i cambiamenti di temperatura (in genere da 0,5 a 2 mm nei formati di grandi dimensioni). Gli adesivi elastici con basso modulo di elasticità (inferiore a 10 MPa) compensano questi movimenti. I riempitivi con durezza Shore A da 20 a 40 sono ideali. In caso di incollaggi strutturali con epossidi rigidi, il giunto incollato deve essere dimensionato in modo tale da assorbire le sollecitazioni di taglio. Regola empirica: maggiore è la differenza di temperatura e più diversi sono i materiali (alluminio vs. composito), più elastico deve essere l'adesivo.
Sì, la produzione moderna di batterie è altamente automatizzata. I sistemi di dosaggio con applicatori guidati da robot raggiungono una precisione dell'1% circa. Il controllo in linea tramite sistemi di telecamere (Beadvision) verifica la geometria e il posizionamento dei cordoni. Critici sono la consistenza del materiale (viscosità, rapporto di miscelazione) e le condizioni ambientali (temperatura, umidità dell'aria per i siliconi RTV-1). I grandi produttori puntano su sistemi di approvvigionamento dei materiali chiusi con regolazione della temperatura e miscelazione continua. I tempi di ciclo inferiori a 60 secondi per ogni pacco batterie sono lo stato dell'arte.
Avviso di sicurezza: lavori su pacchi batteria ad alta tensione
I pacchi batteria contengono tensioni fino a 800 V con correnti elevate. I lavori possono essere eseguiti solo da personale qualificato con formazione sull'alta tensione (HV-1, HV-2, HV-3 secondo DGUV Informazione 200-005). Prima di aprire il pacco: verificare l'assenza di tensione, osservare le 5 regole di sicurezza, utilizzare dispositivi di protezione individuale (utensili isolati, protezione per il viso). Le celle agli ioni di litio possono subire un surriscaldamento in caso di danneggiamento: non sottoporle mai a sollecitazioni meccaniche né cortocircuitarle.
