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전기 자동차 배터리의 재료 솔루션

개요

EV 및 기타 eMobility 응용 제품의 경우 배터리는 기능뿐만 아니라 시장 채택에 매우 중요합니다. 따라서 EV 시장의 지속적인 성장은 더 안전하고 안정적이며 더 빠른 충전을 제공하며 더 큰 충전 범위를 제공하는 배터리 개발에 달려 있습니다. 이러한 요인들은 배터리와 배터리 컴파트먼트를 EV 설계 및 개발에서 가장 필수적인 부분으로 만듭니다. 그러나 몇 가지 요인이 배터리 기능과 성능을 위협합니다. 여기에는 가혹하고 예측할 수없는 환경, 소음, 진동, 충격, 열 폭주, 과열, 먼지 및 유체 오염, 전자기 간섭 및 기타 위험이 포함됩니다. 배터리 컴파트먼트는 또한 소비자 안전을 향상시키고 보증 비용을 줄이기 위해 충돌 충격 솔루션이 필요합니다. 엔지니어링 재료 솔루션은 이러한 요인을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 올바르게 개발되어 배터리 성능을 향상시켜 더 나은 범위, 안전성 및 신뢰성을 얻을 수 있습니다. 이 백서에서는 EV 시장의 현재 동향과 예측을 다루고 배터리에 중점을 둔 EV의 재료 과학 설계 과제를 탐구합니다. 엔지니어가 시스템 개발을 개선하고 설계 창의성을 육성하기 위해 재료 응용 프로그램의 역할을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

전기차 시장 동향 및 전망

EV 시장은 2020 대 이상의 급속한 성장을 기대하고 있습니다. 국제 에너지기구 (International Energy Agency)가 발표 한 "글로벌 EV 전망 2021"보고서에 따르면 EV는 2030 년까지 전 세계 함대의 20 %를 차지할 것으로 예상되며 도로에는 최대 230 백만 대의 차량이 운행 될 것으로 예상됩니다. 단위 생산은 2020-2030에서 34 %의 CAGR로 전 세계적으로 성장할 것입니다.

몇 가지 상호 관련된 요인이이 극적인 상승에 힘을 줄 것입니다.

  • 비용: EV는 점점 더 저렴해지고 있습니다. 이는 배터리 기술 비용의 감소와 탄소 배출 및 연료 효율 요구 사항과 관련된 ICE 기술 비용의 증가로 인한 것입니다.
  • 규정: 미국과 해외의 정책 입안자들은 EV의 채택을 가속화하기 위한 조치를 시행하고 있습니다. 예를 들어, 캘리포니아는 주에서 ICE 차량의 판매를 2035 일까지 금지한다고 발표했습니다. 영국과 함께 몇몇 EU 국가들은 새로운 ICE 차량 판매의 단계적 폐지를 발표했다. 이러한 이니셔티브의 대부분은 2025 또는 2030에서 시작될 예정입니다.
  • OEM 목표: 더 많은 OEM이 소비자 취향 변화 및 규제 활동을 포함한 다양한 요인에 대응하여 독점적으로 전기로 전환되는 시간 제한 목표를 설정하고 있습니다. 제너럴 모터스 (General Motors)는 2035에 의해 완전 전기가 될 계획을 가지고 있습니다. 볼보는 현재 모든 모델의 전기식 (하이브리드 포함) 버전을 제공하며 판매량의 100 %를 2030에 의해 완전히 전기로 만드는 것을 목표로합니다. 테슬라는 2020대에 전 세계적으로 약 500,000대의 자동차를 인도했다. 이 회사는 20 년까지 매년 2030 백만 대의 차량을 생산하고자합니다. 이러한 약속은 R&D, 엔지니어링 및 제조에 대한 상당한 투자를 보완합니다. 예를 들어, 9 월 2021 일 포드는 전기화에 대한 11.4 억 달러의 투자를 발표했습니다. 여기에는 배터리 생산 및 EV 조립에 전념하는 두 개의 새로운 캠퍼스가 포함되어 있습니다.
  • 혁신: 배터리 기술이 빠르게 개선되고 있습니다. EV 범위는 충전 시간이 감소하는 동안 증가하고 있으며 계속 증가 할 것으로 예상됩니다. 안전성과 내구성을 포함한 초기 EV 배터리와 관련된 다른 요소들은 엔지니어들에 의해 다루어지고 있습니다.

 

이전에 EV 채택을 제한했던 우려가 해결되었거나 해결되고 있습니다. 여기에는 배터리 비용, 안전, 신뢰성, 충전소 가용성 및 기술 제한이 포함됩니다. 배터리 용량은 지난 다섯 년 동안 두 배가되었습니다. 오늘날의 배터리는 그 어느 때보 다 빠르게 충전되고 전력은 더 효율적으로 변환되며 전자 장치의 속도, 복잡성, 연결 및 처리 능력이 향상되었습니다.

그러나 주요 엔지니어링 과제는 EV에서 가장 중요한 구성 요소 인 배터리 팩과 관련이 있습니다. EV 배터리 제조업체는 전기 부족, 먼지 및 유체 오염, 충격 및 충돌, 열 관리 등과 같은 요인을 해결해야 합니다. EV 및 eMobility 시장이 계속 성장하기 위해서는 제조업체가 안전, 신뢰성, 내구성 및 범위를 위해 ICE 차량과 일치하거나 능가하는 자동차와 트럭을 생산해야 합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Boyd는 선도적인 원료 공급업체와 긴밀히 협력하여 배터리 컴파트먼트 보호, 밀봉 및 냉각을 위한 가장 광범위한 고성능 변환 및 엔지니어링 재료 솔루션을 제공합니다. 고급 글로벌 제조 프로세스와 수십 년간의 개발 경험을 갖춘 Boyd 솔루션은 가연성, 유전체 절연, 셀 쿠션 등과 관련된 문제를 해결합니다.

이러한 초점은 당사의 EV 배터리 솔루션이 OEM 및 계층 공급업체가 이러한 문제를 해결하고 시장에서 혁신을 주도하는 데 도움이 되도록 보장합니다. 우리는 열 폭주를 방지하고, 배터리 수명을 연장하고, 에너지 사용을 최적화하고, 충돌로부터 보호하고, 무게를 줄이는 등의 작업을 위해 사용자 정의 가능하고 확장 가능한 솔루션을 엔지니어링합니다.

EV 및 Emobility 배터리의 주요 엔지니어링 과제

미국 도로에서 차량의 평균 연령은 12.1 년으로, 2001의 10 년 미만에서 증가했습니다. 자동차는 그 어느 때보 다 더 길고 힘들게 운전되며 비, 자외선, 얼음 및 도로 소금, 정지 및 이동 교통, 제대로 관리되지 않은 도로 등과 같은 환경 적 요인으로 인한 수년간의 학대에 맞서 수년을 견뎌야합니다.

이러한 요인을 복합화하는 것은 차량 자체입니다. 그 어느 때보 다 훨씬 더 복잡하며 값 비싼 컴퓨터 전자 장치, 센서 및 기타 장비가 탑재되어 있습니다.

과제: 열 보호

EV는 완전히 다른 시스템 설계로 ICE 차량과는 완전히 다른 냉각 요구 사항을 가지고 있습니다. 안전을 보장하고 소비자 채택을 촉진하기 위해 EV 및 배터리 제조업체는 리튬 이온 배터리에 대한 고유 한 과제 인 열 폭주를 방지하고 관리하기위한 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다. 배터리 제조업체는 운모, 세라믹 섬유, 기타 재료 및 스마트 시스템 설계에 의존하여 이러한 열 폭주 이벤트를 방지합니다.

과제: 전기 부족

절연층을 적용하면 중요한 내부 부품 간의 스파크 전압을 방지하여 전기 부족이나 화재를 예방할 수 있습니다.

Boyd는 유연한 인쇄 회로 및 리튬 이온 셀 서브어셈블리와 같은 기타 고전압 부품에서 단락을 방지하는 엄격한 공차 제어 기능을 갖춘 다층 스택 구성을 포함한 접착 테이프 제품을 제공합니다. 이중 코팅 테이프를 압축 패드 및 기타 재료와 전기적으로 절연하는 결합은 전기 부족을 방지하고 도로 진동 또는 충돌 충격 에너지를 흡수하는 다기능 솔루션을 만듭니다. 알루미늄 냉판 및 기타 금속 구조물과 같은 액체 냉각 시스템 구성 요소에 적용되는 단일 코팅 절연 테이프는 열 시스템에 전기적 성능을 추가합니다.

과제: 먼지 및 유체 오염

배터리 팩을 밀봉하면 액체, 가스 및 먼지 입자 침입(치명적인 고장을 일으키거나 배터리 수명이 단축될 수 있는 오염 물질)으로부터 리튬 이온 셀을 보호합니다. 씰은 압축 세트 및 힘 편향, 조립 효율, 소음/진동/가혹도(NVH) 및 기타 기계적 요인을 고려하면서 성능을 최적화하고 방수를 제공해야 합니다.

디스플레이 씰과 본딩 솔루션은 배터리 팩에 없지만 소비자 운전 경험에 여전히 중요합니다. Boyd's는 혁신적인 감압 접착제와 아크릴 폼으로 설계되어 디스플레이 어셈블리를 평생 동안 보호합니다. 매우 엄격한 허용 오차는 "제로 갭"성능을 달성하여 먼지 및 액체 오염에 대한 탁월한 보호 기능을 제공합니다. 우리는 단순화 된 고객 조립, DFM (설계 대 제조) 처리량 및 재료 최적화를 위해 이러한 솔루션을 설계합니다.

당사의 씰 및 개스킷 포트폴리오에는 수백 가지의 폼, 폴리머, 접착제 및 기타 옵션이 포함되어 있습니다. 당사는 이러한 소재 전문 지식과 DFM 대량 생산 기능을 결합하여 배터리 팩 및 디스플레이 어셈블리 오염 보호를 위한 고성능 작동 조건을 초과하는 맞춤형 설계를 제공합니다.

과제: 충격과 충돌

배터리 팩은 충돌 충격, 가혹한 도로 상태 및 극한의 온도로부터 보호되어야 합니다. 리튬 이온 셀 사이에 겹쳐진 견고하고 탄력있는 압축 패드를 배치하면 충전 사이클링으로 인한 팽창력을 보상합니다. 배터리 모듈 주위에 배치할 때 이 패드는 충돌 충격, 극한의 도로 상태 및 진동 확장으로부터 기계적 에너지를 흡수하여 소비자 안전을 강화하고 보증 비용을 절감함으로써 충격 보호 장벽 역할을 합니다.

보이드는 다양한 폐쇄 및 오픈 셀 폼을 제공합니다. 이는 광범위한 온도 및 환경 노출 응용 분야의 요구를 충족하기 위해 다양한 성능 특성을 제공합니다. 폼은 EV 배터리의 전기 절연을 위해 유전체 필름을 통합하는 단일 및 이중 코팅 테이프와 결합 할 수 있습니다.

이러한 폼 솔루션은 쉬운 조립과 효율적인 설치를 촉진하면서 기술적 과제를 해결함으로써 총 소유 비용을 절감합니다.

과제: 열 관리

EV 설계 및 기능이 첨단 전자 장치를 크게 통합하도록 진화함에 따라 EV 엔지니어는 열 시스템 혁신을 위해 전통적인 전자 시스템 열 관리 시장 리더로 전환하고 있습니다.

EV 배터리 설계자는 배터리 셀 전체에서 균일한 온도를 유지하려고 합니다. 그들은 더 빠른 충전 / 방전 사이클을 가능하게하고, 배터리 과열을 줄이며, 치명적인 배터리 이벤트가 발생할 때 격리하거나, 더 나은 아직, 그러한 이벤트가 발생하지 않도록하면서이 작업을 수행해야합니다. Boyd의 복잡한 재료 조립품은 리튬 이온 배터리 셀-셀 냉각과 충격 흡수 및 열/화염 격리 솔루션을 통합하여 열 폭주를 방지하는 주요 기계적, 열적, 환경적 요인을 해결합니다.

열 인터페이스 재료(TIM)는 액체 냉각 시스템의 콜드 플레이트와 배터리 모듈 간의 열 전달을 촉진하여 열 저항을 줄여 열 시스템 효율을 극대화합니다. 이 제품은 인터페이스 내부, 통과 및 외부로 유입되는 열 흐름의 저항을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 민감한 부품으로부터 열을 끌어당기면 전력 밀도와 효율성이 향상됩니다.

Boyd의 제조 역량은 여러 공급업체의 원자재를 결합하여 재료 구성의 최적화된 다층 스택업을 생성하여 엔지니어가 설계 유연성을 높일 수 있도록 지원합니다. 이러한 재료는 복합 재료 및 재료가 UL® 94 V-0 및 기타 난연성 요구 사항을 충족 할 수있게 해주는 난연성 접착제와 결합 할 수 있으며 쉬운 릴리스 라이너가있는 단일 및 이중 코팅 테이프 및 강한 유전 특성을 가진 필름 층과 결합 할 수 있습니다.

당사의 액체 알루미늄 냉간 플레이트는 견고한 구조 지원(RSS) 및 고효율 냉각을 제공하여 오늘날 최고 성능의 배터리 모듈 및 팩을 제공합니다. 낮은 높이와 가벼운 무게로 인해 더 강력한 배터리와 더 넓은 범위의 차량을위한 추가 설계 공간이 생깁니다.

과제: 전자기 간섭

이음새와 개구부는 불량 에너지파가 장치에 들어가거나 나가는 길을 제공하여 전자기 간섭(EMI)을 일으킵니다. EMI 차폐는 전자 오작동 감수성을 줄이고 이러한 원치 않는 파동을 차단하거나 흡수하여 배터리 성능, 안전성 및 신뢰성을 향상시킵니다. 일반적으로이 차폐는 먼저 반사 표면이있는 전자기파를 편향시킵니다. 이것은 쉴드를 가열하여 EMI/RFI 실드의 적당한 전기 및 열 전도도 필수 특성을 만듭니다.

Boyd의 LectroShield 금속 호일, 전도성 폼, 엘라스토머 및 접착제는 간섭 에너지를 관리하도록 설계되었습니다. 그 결과 신뢰성과 효율성이 향상되었습니다.

보이드의 EV 배터리 보호 재료 솔루션

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브레이징 된 액체 냉판 - 콜드 플레이트는 열 부하가 높은 표면에서 액체 냉각 시스템의 유체로 열을 전달합니다. 냉판의 성능은 액체 시스템의 전반적인 효과에 매우 중요합니다.

씰 및 개스킷 - 씰과 개스킷은 배터리 모듈과 셀을 액체, 가스 및 입자로 인한 오염으로부터 보호하여 배터리 수명을 연장하고 안전성을 향상시키며 보증 비용을 절감합니다.

압축 패드 - 견고하고 탄력적인 압축 패드는 충돌 충격, 가혹한 도로 조건 및 극한의 온도로부터 배터리를 보호합니다. 패드는 붓기를 보상하기 위해 셀 사이에 겹쳐져 있거나 충격 보호 장벽으로 모듈 주위에 배치됩니다.

EMI 차폐 - 차폐는 전자 오작동 감수성을 줄이고 원치 않는 전자기파를 차단하여 배터리 성능을 향상시켜 배터리 성능을 향상시킵니다.

전기 절연 및 셀 래핑 - 절연 및 포장은 장치 단락 또는 화재로 이어질 수 있는 내부 중요 부품 간의 스파크 전압을 방지합니다.

열 인터페이스 재료(TIM) - TIM은 콜드 플레이트와 배터리 모듈 간의 열 전달을 용이하게 하는 동시에 인터페이스 내부, 통과 및 외부로 유입되는 열 흐름의 저항을 최소화합니다. 특히 예측할 수 없는 환경에서 배터리를 최적의 온도 범위 내에서 유지하도록 특별히 설계된 TIM은 냉각 및 난방 시스템에 필요한 배터리 전력의 소모를 줄입니다.

버스바용 유전체 접착제 - 유전체는 배터리 어셈블리에서 유연한 인쇄 회로를 보호하여 수명을 연장하는 데 도움을 줍니다.

다층 열 폭주 보호 - 복잡한 냉각 및 충격 흡수 보호 층은 열 폭주를 방지하기 위해 엄격한 요구 사항을 충족합니다.

배터리 하우징 씰 및 충돌 방지 - 견고한 씰, 개스킷 및 댐퍼 패드는 극한의 도로 조건, 갑작스런 충격 또는 장기간의 진동으로부터 가변력과 기계적 에너지를 견디고 흡수하도록 설계되어 배터리에 대한 해로운 영향을 최소화하고 보증 비용을 절감합니다.

보이드 어드밴티지

Boyd Corporation은 재료 과학, 엔지니어링 재료 및 열 관리 분야의 기술을 혁신하는 세계 최고의 혁신업체로서 고객의 가장 중요한 응용 분야를 봉인, 보호, 인터페이스 및 냉각합니다. 우리는 야심 찬 성과 목표를 해결하기 위해 과학을 받아들입니다. 보이드 (Boyd)는 가능한 것을 재정의하기 위해 새로운 방식으로 기술을 결합하여 재료 혁신을 설계합니다. 가능한 것을 지속적으로 재정의하는 것은 90년 이상의 혁신과 고객 성공을 이끌었습니다.

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