PASerie de tecnología de fabricación de CK: Análisis de la tecnología de materiales de aislamiento térmico y de fuga térmica de paquetes de baterías
El momento ardiente: la dura advertencia sobre el descontrol térmico de las baterías de litio y el sustento de los materiales aislantes
En 2024, una fábrica de baterías de litio en la provincia de Gyeonggi, Corea del Sur, explotó repentinamente y se incendió, cobrándose la vida de 23 trabajadores en solo 15 segundos.
En 2025, un Xiaomi SU7 chocó mientras circulaba a gran velocidad, y tres personas dentro del vehículo no pudieron salvarse…
Ya sean los vehículos de nueva energía que circulan a toda velocidad por las carreteras o las centrales eléctricas de almacenamiento de energía que apoyan la transición a la energía verde, los accidentes de incendio y explosión causados por la fuga térmica de las celdas de las baterías de litio ya no son noticias aisladas. Detrás de estos impactantes datos se esconde un grave desafío en materia de seguridad. Estadísticas incompletas muestran que en 2024, más del 30% de los accidentes por incendio de estaciones de almacenamiento de energía en todo el mundo podrían atribuirse a la fuga térmica de las baterías de litio. En el campo de los vehículos de nueva energía, una vez que una batería se incendia, la tasa de mortalidad de sus ocupantes llega a un asombroso 70%.
Ante una amenaza de seguridad de tan alta frecuencia y alta mortalidad, es extremadamente urgente construir un sistema eficaz de protección térmica contra fugas. Entre ellos, los materiales aislantes de los paquetes de baterías desempeñan un papel crucial como 'guardianes de barreras térmicas'. Entonces, ¿cómo contienen exactamente la propagación del calor y ganan un valioso tiempo de escape cuando ocurre un desastre? ¿Cuáles son los principales tipos de materiales aislantes disponibles actualmente que protegen esta línea entre la vida y la muerte?
I. Fuga térmica y barrera térmica
1. Incendios de baterías de litio: altas temperaturas rápidas y reacción en cadena desbocada
Una vez que una batería de litio se incendia, sus características son distintas: combustión rápida, llamas intensas, tremendo poder destructivo y extrema dificultad de extinción. El principal peligro reside en el proceso de fuga térmica de la célula. No se trata de una explosión instantánea, sino más bien de una reacción en cadena que implica hinchazón/abultamiento, liberación de humo, ignición violenta y quemaduras intensas. Este proceso libera un calor enorme, con temperaturas máximas que alcanzan la asombrosa cifra de 450 °C a 600 °C.
Lo que es más peligroso es que las altas temperaturas localizadas pueden desencadenar rápidamente una propagación térmica en cadena a las células adyacentes, lo que eventualmente provocará un incendio o incluso una explosión.
Los principales desencadenantes de este 'desastre en cadena' se dividen en tres categorías:
Daño físico: Destrucción por fuerza externa como colisión, aplastamiento o perforación.
Abuso de temperatura: Alta temperatura externa o sobrecalentamiento local interno.
Abuso eléctrico: sobrecarga, sobredescarga o cortocircuito externo.
2. Tecnología de barrera térmica: el 'cortafuegos' que contiene la propagación del desastre
La misión principal de la tecnología de barrera térmica es interceptar de manera eficiente el choque térmico mortal, el humo de alta temperatura y la radiación de llamas liberados por una batería fuera de control, cortando el camino de transferencia de calor a las celdas vecinas. Su valor radica en:
Debilitando el poder destructivo del fuego.
Ganar tiempo crítico para la extinción de incendios y el rescate.
Maximizar la protección de la seguridad del personal.
El actual sistema de tecnología de protección térmica contra fugas incluye principalmente tres direcciones:
Monitoreo y enfriamiento inteligentes: monitoreo en tiempo real del estado de la batería, activando activamente medidas de enfriamiento o extinción de incendios en caso de anomalía.
Protección estructural (aislamiento físico): construcción de una barrera aislante (materiales clave) entre las celdas para bloquear el camino de propagación térmica desbocada.
Extinción de incendios de emergencia: implementación rápida de una extinción eficiente de incendios (como enfriamiento con agua por inmersión, pulverización de perfluorohexanona, etc.) después de que se produzca una fuga térmica.
Este artículo presenta principalmente la tecnología de diseño de estructuras de seguridad, que bloquea la transferencia del calor generado por una celda térmica desbocada a celdas adyacentes, evitando así una reacción en cadena.
II. Principales tipos de materiales de barrera térmica
Los materiales de aislamiento térmico utilizados actualmente para baterías eléctricas incluyen espuma retardante de llama, materiales de fieltro de aerogel, placas de mica, compuestos de caucho de silicona ceramificables, compuestos para encapsulado retardantes de llama y paneles de aislamiento al vacío. El panel de aislamiento entre celdas dentro de un módulo de batería es un dispositivo de protección térmica colocado entre celdas individuales, que retrasa o bloquea efectivamente la propagación de la fuga térmica desde una sola celda a todo el sistema de batería. Generalmente debe poseer el siguiente rendimiento:
1. Espuma retardante de llama
Tipos principales: Espuma de poliuretano (PU), espuma EVA, caucho de silicona, etc.
Por lo general, se fabrican a partir de los materiales base mencionados anteriormente mediante procesos especiales de formación de espuma. Ofrecen un buen rendimiento de aislamiento térmico y una excelente compresibilidad, lo que les permite absorber completamente las fuerzas de expansión generadas por los ciclos celulares.
2. Materiales de fieltro de aerogel
Los aerogeles se pueden clasificar en a granel, en polvo y en película. Su excelente rendimiento de aislamiento térmico proviene de su estructura porosa.
El tamaño de los poros del aerogel es más pequeño que el recorrido libre medio de las moléculas de aire bajo presión atmosférica, por lo que las moléculas de aire dentro de los poros son casi estacionarias, evitando así la transferencia de calor por convección desde el aire.
Los materiales de fieltro de aerogel, fabricados con aerogel de SiO2 como núcleo, compuestos con fibra de vidrio o fibra cerámica, tienen un coeficiente de conductividad térmica tan bajo como 0,013–0,025 W/m·K.
El aerogel ofrece el mejor efecto de aislamiento por unidad de volumen y también proporciona un importante efecto de aligeramiento (el aerogel tiene una densidad extremadamente baja, siendo uno de los materiales sólidos más livianos conocidos, ofreciendo entre 3 y 8 veces adelgazamiento y reducción de peso en comparación con los materiales aislantes tradicionales).
Sin embargo, aunque el rendimiento de aislamiento térmico del aerogel es excepcional, su deformación por compresión es limitada y su capacidad de amortiguación/absorción aún es insuficiente cuando se trata de las fuerzas de expansión generadas durante los ciclos celulares. Por lo tanto, generalmente se utiliza junto con espuma amortiguadora.
3. Placa de mica
Composición principal: Composite prensado de papel de mica (90%) y caucho de silicona (10%).
Características:
Resistencia a altas temperaturas: temperatura de uso continuo de 500 a 850 °C, intermitente hasta 1050 °C.
Aislamiento: Resistencia a la rotura ≥20 kV/mm, resistividad volumétrica >10¹⁴ Ω·cm.
Resistencia mecánica: Resistencia a la flexión >200 MPa, resistencia a la corrosión química.
Ubicación de la aplicación: Las placas de mica se usan comúnmente entre el módulo y la cubierta del gabinete para evitar que el humo de alta temperatura expulsado del respiradero después de que una fuga térmica de la celda se derrita a través de la cubierta o dañe los componentes estructurales del módulo.
4. Compuesto para macetas ignífugo
Para las PACK de celda cilíndrica, dado que la superficie más grande de la celda es cilíndrica, los compuestos de encapsulamiento ignífugos también se usan comúnmente como materiales aislantes. Por ejemplo, el paquete de baterías de energía de Tesla utiliza compuestos de relleno para llenar los espacios entre las baterías cilíndricas, lo que sirve para evitar la transferencia de calor entre las celdas, mejorar la resistencia al impacto y mejorar la estabilidad térmica y mecánica general del paquete de baterías.
Composición principal: Material base, agente de curado, aditivos retardantes de llama, cargas (para mejorar la resistencia y la resistencia al desgaste).
Características:
Excelente retardo de llama: puede alcanzar el nivel UL94 V-0, se carboniza al quemarse para aislar el oxígeno.
Buen aislamiento eléctrico: Resistividad volumétrica ≥1×10¹⁵ Ω·cm, rigidez dieléctrica ≥20 kV/mm.
Alta fuerza de unión, buena resistencia al impacto, resistencia al calor.
