La gestión térmica es fundamental en varias industrias, y las tendencias de las tecnologías emergentes están impulsando la innovación de materiales. La electrónica en mercados que van desde los dispositivos personales hasta los automóviles está experimentando una mayor integración y densificación y, por tanto, una mayor atención a la gestión térmica. Como estos componentes tienen cada vez menos espacio libre que utilizar, aumenta el uso de materiales que ofrecen más de una función.

Evolución de las baterías para vehículos eléctricos
El mercado de los vehículos eléctricos (VE) ha continuado su tendencia hacia diseños de baterías de mayor densidad energética. Aunque la densidad energética media del mercado ha disminuido ligeramente desde 2020 debido al resurgimiento de las baterías LFP, el porcentaje de la batería que ocupan las celdas ha ido aumentando, mitigando en cierta medida el golpe de adoptar la química de celdas de menor densidad energética.

La creciente proporción de LFP ha reducido la densidad energética media de las células, pero la eficiencia de los envases ha seguido aumentando rápidamente, ayudando a compensar esto a nivel de pack. Fuente: IDTechEx (figura 1)

La tendencia al aumento de la eficiencia del embalaje se debe en parte a mejoras incrementales, pero también a una mayor adopción de los diseños celda a celda y celda a cuerpo que se han visto en 2022. La batería Blade de BYD ha experimentado un gran aumento en su despliegue en 2022, con una cuota de mercado de BYD en el mercado de vehículos eléctricos de China que alcanzará aproximadamente el 25% en la primera mitad de 2022. Este diseño de célula a célula hace que cada célula prismática ocupe toda la anchura del pack. En 2022, Tesla también ha desplegado sus primeros vehículos utilizando las fabulosas celdas de la batería 4680 y un diseño estructural del pack en el que los asientos están fijados directamente a la tapa de la batería. Estos cambios de diseño mejoran enormemente la densidad energética al eliminar materiales auxiliares que no contribuyen directamente al funcionamiento de la batería. Varios fabricantes de equipos originales han anunciado planes para implantar en los próximos años diseños "célula a paquete" o "célula a carrocería", entre ellos grupos como VW, Stellantis y varios más.

Protección contra incendios en los futuros diseños de baterías
A pesar de la eliminación y reducción de materiales en las baterías de los VE, hay varios materiales que siempre serán necesarios en el diseño de una batería de VE para que funcione de forma óptima. Entre ellos se incluye la estrategia de gestión térmica (placas frías, refrigerantes, etc.) y, sobre todo, en 2022, los materiales de protección contra incendios. Al igual que en 2021, los incendios en VE han ocupado un lugar destacado en las noticias, pero ahora más que nunca son un motor para la innovación de materiales. Aunque los incendios son poco frecuentes y menos probables que en un vehículo con motor de combustión, las baterías de iones de litio, independientemente de la composición química o el formato de las celdas, presentan un riesgo no nulo de fuga térmica y posterior incendio. En 2021 se produjeron varias retiradas del mercado relacionadas con el riesgo de incendio de las baterías por parte de los principales fabricantes de equipos originales, como GM, Hyundai, VW y otros. En 2022, la India ha sido testigo de una gran atención a los incendios de baterías en vehículos eléctricos de dos ruedas, lo que ha impulsado la adopción de normas de seguridad específicas relativas a varios factores de diseño de las baterías.

Con la atención pública y la inminente aplicación de normativas de seguridad contra fugas térmicas en varias regiones, los fabricantes de equipos originales se ven obligados a considerar con más cuidado los materiales utilizados para la protección contra incendios. La tendencia ya comentada hacia los packs de célula a pila y de mayor densidad energética plantea un reto en la protección contra incendios. A medida que aumenta la densidad energética, hay menos espacio para materiales añadidos, lo que lleva a los proveedores a centrarse en materiales multifuncionales. Por ejemplo, los aerogeles están ganando terreno en el mercado gracias a su capacidad de aislamiento térmico, protección contra incendios y compresibilidad. En 2022, Aspen Aerogels fue nombrado proveedor de la plataforma Ultium de GM, y su material PyroThin registró unos ingresos de 18,4 millones de dólares en el primer semestre de 2022, frente a los 6,7 millones de dólares de todo 2021. Rogers Corporation, un actor destacado en el suministro de almohadillas de espuma de compresión para paquetes de baterías de celdas de bolsa en 2022, anunció sus materiales EV ProCell Firewall que proporcionan tanto protección contra incendios como gestión de la compresión (fundamental para los paquetes de baterías de celdas de bolsa). A finales de 2021 se anunció la adquisición de Rogers por DuPont como una de las mayores adquisiciones en el sector de materiales de la historia reciente. Sin embargo, esta adquisición se canceló a finales de 2022 después de que DuPont no obtuviera la autorización de todos los organismos reguladores necesarios.

Pueden utilizarse otras opciones de materiales en función del formato de la célula y de si se requiere una solución entre células y/o a nivel de paquete. A partir de 2023, con la rápida expansión del mercado de los vehículos eléctricos, varios de estos materiales experimentarán un rápido crecimiento de la demanda, e IDTechEx prevé que la demanda de materiales de protección contra incendios se multiplique por 13 de aquí a 2033. El último informe de IDTechEx, "Fire Protection Materials for Electric Vehicle Batteries 2023-2033" (Materiales de protección contra incendios para baterías de vehículos eléctricos 2023-2033), analiza las tendencias en el diseño de baterías, las normativas de seguridad y cómo afectarán a los materiales de protección contra incendios. El informe compara los materiales directamente entre sí y para aplicaciones dentro de los paquetes de baterías. Los materiales analizados son mantas y láminas cerámicas (y otros materiales no tejidos), mica, aerogeles, revestimientos (intumescentes y otros), encapsulantes, espumas encapsulantes, almohadillas de compresión, materiales de cambio de fase y muchos otros. Se incluyen previsiones de mercado a 10 años por material y categoría de vehículo.

Son muchos los materiales aplicables a la protección contra incendios, cada uno con sus pros y sus contras en función del diseño de la batería.

Evolución de los materiales de interfaz térmica en las baterías de vehículos eléctricos

Los materiales de interfaz térmica son un componente fundamental en la gran mayoría de los diseños modernos de baterías para vehículos eléctricos. Ayudan a disipar el calor de las celdas hacia la estructura de refrigeración (carcasas de los módulos, refrigeración, canales/placas frías). En la actualidad, las aplicaciones más comunes hacen que las celdas de la batería se asienten sobre un TIM de relleno de huecos dentro de un módulo; a continuación, varios de estos módulos se asientan sobre otro TIM de relleno de huecos para entrar en contacto con la placa fría refrigerada por líquido situada debajo. Este enfoque ha cambiado en algunos diseños más recientes, especialmente en los diseños de célula a paquete.

El concepto consiste en que las celdas entren en contacto directo con la placa fría a través de un único TIM, lo que reduce el número de interfaces y mejora la transferencia de calor. Al haber menos interfaces, la conductividad térmica del TIM puede reducirse y se necesita menos TIM. Inicialmente, esto puede reducir el peso y el coste del TIM y facilitar su dispensación. Sin embargo, con la eliminación de las carcasas de los módulos (o estructuras similares), el TIM debe proporcionar ahora un componente estructural. Por lo tanto, se trata de una gran oportunidad para los adhesivos conductores térmicos.

Mientras que (como se ha mencionado anteriormente) los materiales que rodean las celdas de la batería se están eliminando del pack para permitir una mayor densidad de energía, el TIM es uno de los que permanecerá en gran medida y proporcionará propiedades multifuncionales para ayudar tanto en la gestión térmica como en la estructura del pack de baterías. Con celdas de mayor tamaño, el área de aplicación de los TIM puede reducirse un poco en algunos diseños, pero IDTechEx prevé más de 2TWh de baterías refrigeradas por líquido o refrigerante para 2031, lo que supondrá un enorme crecimiento para los TIM, junto con otros componentes y materiales de gestión térmica.

Combinación de gestión térmica y blindaje electromagnético en 5G y ADAS

Varias industrias están avanzando hacia una mayor frecuencia. Dos ejemplos clave de esto son las telecomunicaciones 5G para velocidades de transferencia de datos más altas y el radar automotriz para permitir una detección de mayor resolución. A frecuencias más altas, el blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) se vuelve más difícil con los métodos tradicionales. Si combinamos esto con el aumento de la densidad y la potencia de los componentes, los materiales que pueden proporcionar tanto gestión térmica como blindaje EMI se convierten en una propuesta cada vez más interesante.

El despliegue de la 5G está muy avanzado, pero la infraestructura de mayor frecuencia, mmWave (>24GHz), aún está en pañales. La gran mayoría de la infraestructura 5G en 2022 sigue estando en las bandas de frecuencia más bajas, por debajo de 6 GHz. Sin embargo, IDTechEx predice un aumento de 70 veces en el despliegue de células pequeñas mmWave para 2033. La infraestructura mmWave presenta una serie de desafíos en torno a la propagación de la señal, pero también, la frecuencia más alta conduce a antenas más pequeñas y más densamente empaquetadas donde tanto la gestión térmica como el blindaje EMI son un desafío.

El radar de automoción es uno de los componentes clave de los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y una de las tecnologías facilitadoras de los futuros vehículos autónomos. Los radares de automoción anteriores utilizaban principalmente 24 GHz. Desde entonces, el mercado ha pasado en gran medida a >77GHz. Esto ayuda a aumentar la resolución, pero también crea una antena más compacta y, por tanto, una unidad de radar. Estos radares de alta frecuencia serán la tecnología dominante en el futuro. IDTechEx calcula que más del 90% de los radares de automoción se situarán en la región de 77 GHz de aquí a 2030. En estos diseños, la naturaleza compacta del dispositivo con señales de frecuencia más alta vuelve a plantear retos tanto a la gestión térmica como al blindaje EMI.

El blindaje EMI tradicional suele consistir en un blindaje metálico a nivel de placa (BLS) colocado sobre el componente con un material de interfaz térmica (TIM) utilizado entre el componente y el blindaje y otro entre el blindaje y un disipador de calor. Estos blindajes suelen tener agujeros para ayudar a disipar el calor, pero a frecuencias más altas (longitudes de onda más cortas), esto reduce en gran medida la eficacia EMI del blindaje. Además, al haber varias interfaces entre el componente y el disipador de calor, la transferencia de calor es mucho menos eficaz. Varias empresas de materiales han presentado una solución a estos problemas, en la que se proporciona un TIM que también tiene propiedades de blindaje EMI.

Un blindaje EMI y un TIM combinados pueden sustituir a varios TIM y a un blindaje a nivel de placa (BLS). Fuente IDTechEx

Varios fabricantes, como Henkel, Kitagawa y Schlegel, han lanzado TIM que también funcionan como blindajes EMI. Una opción que destaca en 2022 es el anuncio del CoolZorb D de Laird. Al igual que otros, se trata de una combinación de escudo EMI y TIM, pero difiere en que se presenta en forma de material dispensable en una sola pieza. El material ofrece una conductividad térmica de 3,5 W/mK y una alta atenuación, especialmente por encima de 20 GHz. Su carácter dispensable lo hace potencialmente más adecuado para la fabricación de grandes volúmenes que ayuden a automatizar el proceso de producción. Aunque estas opciones combinadas de EMI/TIM son más caras que un TIM similar, la posibilidad de eliminar el material absorbente de EMI puede reducir el coste total del dispositivo, además de simplificar el proceso de fabricación.

Tanto el 5G como el radar de automoción son mercados en rápido crecimiento con una transición a frecuencias más altas. IDTechEx prevé más de 12 millones de estaciones 5G en 2032 que requerirán gestión térmica y que el valor de mercado anual de los TIM en ADAS se multiplicará por 11 en los próximos diez años.