IT202100013880A1 - Matrice di resina sintetica, in particolare per i pacchi di batterie ricaricabili dei veicoli ad alimentazione elettrica e pacco di batterie realizzato con questa matrice - Google Patents

Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: "MATRICE DI RESINA SINTETICA, IN PARTICOLARE PER I PACCHI DI BATTERIE RICARICABILI DEI VEICOLI AD ALIMENTAZIONE ELETTRICA E PACCO DI BATTERIE REALIZZATO CON QUESTA MATRICE"

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne una matrice di resina sintetica, particolarmente adatta per i pacchi di batterie ricaricabili dei veicoli ad alimentazione elettrica.

Il campo dell'invenzione ? quello delle batterie ricaricabili, utilizzate ad esempio per i veicoli ad alimentazione elettrica, come le batterie al nichel-cadmio, al litio e simili.

Notoriamente il buon funzionamento delle batterie ricaricabili ? compromesso dagli innalzamenti di temperatura, normalmente associati alle operazioni di ricarica.

Per superare questo inconveniente le batterie ricaricabili sono confezionate in pacchi formati da un contenitore, all'interno del quale le batterie sono fissate per annegamento in una matrice di materiale resinoso indurito, la cui struttura ? mantenuta compatta, allo scopo di facilitare la dissipazione del calore all'esterno del pacco di batterie.

La descritta soluzione nota ha tuttavia l'inconveniente di accrescere in modo considerevole il peso del pacco di batterie, con una incidenza sul peso complessivo del veicolo che pu? raggiungere dei valori anche rilevanti.

Per superare questo inconveniente ? altrettanto noto incorporare delle sfere di vetro cave nella matrice formata dalla resina di riempimento del pacco di batterie, per esempio come descritto nella pubblicazione WO2018148282A1. Questa soluzione nota permette di abbassare il peso specifico della matrice ad un valore di circa 0,87 g/cm<3>, con l'inconveniente tuttavia di diminuire anche l'efficienza dello scambio termico con l'ambiente esterno, portando la conducibilit? termica della matrice a valori che non superano i 0,20 W/mK.

Costituisce lo scopo principale della presente invenzione quello di fornire una matrice di resina sintetica, in particolare per i pacchi di batterie ricaricabili dei veicoli ad alimentazione elettrica che, in rapporto alle analoghe matrici della tecnica nota, presenti un peso inferiore, pur mantenendo il livello di conducibilit? termica che ? necessario al regolare funzionamento delle batterie.

Questo ed altri scopi sono raggiunti con la matrice, il pacco di batterie e il procedimento delle rivendicazioni rispettivamente 1, 11 e 14. Dei preferiti modi di realizzare l'invenzione risultano dalle restanti rivendicazioni.

In rapporto alle note realizzazioni del settore, l'invenzione permette di realizzare un pacco di batterie ricaricabili che unisce, ad un peso inferiore, anche dei valori di conducibilit? termica sufficienti per smaltire il calore generato nella fase di ricarica delle batterie.

Secondo l'invenzione questo risultato ? in particolare raggiunto grazie all'impiego di una matrice di resina sintetica, avente delle zone esterne compatte ad alta conducibilit? termica, previste adiacenti o in prossimit? del corpo delle batterie ovvero della sorgente di calore, e delle zone interne espanse di peso inferiore rispetto a quelle esterne.

Questi ed altri scopi, vantaggi e caratteristiche risultano dalla descrizione che segue di alcuni preferiti modi di realizzare la matrice e il pacco di batterie dell'invenzione illustrati, a titolo di esempi non limitativi, nelle figure delle allegate tavole di disegni.

In esse:

- la figura 1 illustra in prospettiva un pacco di batterie confezionato all'interno di un contenitore chiuso;

- la figura 2 illustra un particolare ingrandito della matrice di materiale espanso di formazione del pacco di batterie di figura 1;

- la figura 3 illustra il pacco di batterie di figura 1, con vista su una zona di contatto tra la matrice e le batterie;

- la figura 4 illustra una variante di realizzazione della matrice espansa del pacco di batterie dell'invenzione;

- la figura 5 illustra un provino della matrice dell'invenzione;

- la figura 6 illustra una sezione della matrice di figura 5, con vista alla parte interna espansa e sulla superficie esterna compatta del provino;

- la figura 7 illustra le curve di temperatura misurate sulla matrice di figura 5 e su una analoga matrice della tecnica nota.

In figura 1 ? illustrato un pacco 1 di batterie ricaricabili, del tipo normalmente in uso nel settore delle auto elettriche e che rappresentano la fonte 2 del calore che deve essere disperso, a loro volta confezionate all'interno di un contenitore chiuso 3, riempito con la matrice di resina sintetica 4 dell'invenzione e avente la funzione di trattenere e di fissare in posizione le batterie 2 all'interno della struttura del pacco 1.

La matrice di riempimento del contenitore 3 ? ottenuta per reazione chimica tra una resina sintetica ed almeno una sostanza indurente, cos? da formare una matrice 4 di resina espansa indurita, sostanzialmente schiacciata o compressa all'interno del volume del contenitore chiuso 3.

Le resine adatte per realizzare la matrice dell'invenzione sono per esempio resine bicomponenti quali resine poliuretaniche, siliconi bicomponenti ecc. e di preferenza resine epossidiche.

Gli indurenti adatti per l'invenzione sono per esempio poliammine, poliammidi, polioli (nel caso di poliuretani ecc.) di preferenza poliammine formulate nel caso di resine epossidiche.

Nella matrice dell'invenzione sono presenti tipicamente dal 90 al 50% peso di resina e dal 10 al 50% peso di sostanza indurente, compresi in entrambi i casi le cariche, gli additivi stabilizzanti, ecc.

Alla resina di partenza cos? composta ? inoltre aggiunto, secondo l'invenzione, almeno un agente di schiumatura, dalla cui decomposizione si generano delle bolle 5 di gas (come per esempio idrogeno, aria, CO2 e simili) che restano incorporate all'interno della matrice 4, conferendo a questa una struttura espansa o schiumosa.

Agenti di schiumatura adatti per l'invenzione sono acqua per poliuretani, idrogeno silani ecc., di preferenza polimetilidrogenosilossani, in quantit? comprese tra lo 0,1% e il 10% peso rispetto al peso totale della matrice.

Secondo l'invenzione la resina di partenza ? inoltre addizionata con almeno un agente solido di riempimento, avente una conducibilit? termica maggiore di 1,5 W/mK e con la funzione di conferire alla matrice 4 il desiderato livello di conducibilit? termica, in particolare per favorire la dispersione del calore verso l'esterno del pacco 1 durante la carica delle batterie 2. Agenti di riempimento adatti per l'invenzione sono per esempio l'ossido di alluminio, l'ossido di zinco, il nitruro di boro, l'alluminio triidrato e simili, in forma di polvere 6 disperdibile all'interno della massa di resina espansa in quantit? dall'1% al 90% peso, preferibilmente dal 10% all'80% peso rispetto al peso totale della matrice. L?agente solido di riempimento pu? anche essere costituito da grafene, ossido di grafene, rame, argento o altri composti chimici elettricamente conduttivi, aventi lo scopo di conferire la necessaria conducibilit? termica ed elettrica.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, alla resina sintetica di formazione della matrice 4 possono essere aggiunte anche delle sferette cave 7 di vetro (figura 4), la cui funzione ? quella di ridurre ulteriormente il peso specifico del pacco di batterie 1.

Una volta mescolati insieme la resina di partenza e l'indurente, l'agente di schiumatura inizia a generare le bolle che provocano l'espansione della matrice, riempiendo in questo modo i vuoti e le cavit? tra le batterie 2 e le pareti del contenitore 3.

Allo stesso tempo la pressione che il processo di schiumatura genera all'interno del contenitore chiuso 3 del pacco di batterie 1, realizza una matrice espansa 4 nella quale si distinguono:

- un sottile strato compatto o "skin" 9 di matrice 4 sulle superfici di contatto tra quest'ultima e le pareti esterne 8a delle batterie 2 e le pareti interne 8b del contenitore 3, che favorisce la dissipazione del calore delle batterie verso l'esterno del pacco di batterie 1;

- delle porzioni 10 di matrice espansa 4, che riempiono gli spazi vuoti tra le batterie e le pareti del contenitore e che riducono il peso complessivo del pacco di batterie rispetto ad una matrice compatta priva di parti schiumose.

L'agente solido di riempimento 6 utilizzato nella formazione della matrice 4 contribuisce a realizzare dei percorsi preferenziali di trasmissione del calore favorendo, assieme alla descritta formazione di strati 9 di matrice compatta, l?accrescimento della conducibilit? termica di quest'ultima, seppure in presenza di porzioni espanse della stessa.

Si ? inoltre potuto osservare che, nonostante l'aggiunta del materiale di riempimento 6, nel bilancio complessivo del peso dei singoli componenti impiegati, la matrice 4 del pacco di batterie dell'invenzione risulta essere molto pi? leggera di quelle tradizionali di tipo non espanso.

Gli inventori hanno in effetti sorprendentemente scoperto che diveniva possibile compensare la perdita di conducibilit? termica della matrice 4, dovuta alla sua struttura espansa e tuttavia utile alla consistente riduzione del peso del pacco di batterie 1, non solo grazie al contributo offerto dal materiale di riempimento termoconduttore 6, ma anche per mezzo della descritta formazione di strati 9 di resina compatta o con una minima quantit? di bolle 5 presenti, realizzati in corrispondenza delle pareti di contatto 8a,8b della matrice 4 con le batterie 2 e rispettivamente con il contenitore 3, maggiormente funzionali al trasferimento del calore verso l'esterno del medesimo pacco di batterie 1.

In effetti lo schiacciamento delle porzioni di matrice 4 contro le pareti delle batterie 2 e del contenitore 3, dovuto al descritto fenomeno di espansione all'interno del medesimo contenitore mantenuto chiuso, provoca lo spostamento delle bolle 5 verso l'interno della matrice 4, allontanandole dal corpo delle batterie e lasciando uno strato 9 di resina compatta e quindi con un maggiore contenuto di agente di riempimento 6. In questo modo si genera un percorso preferenziale per il calore da dissipare verso l'esterno del pacco di batterie, al quale concorre l'uguale fenomeno che si realizza sulle pareti interne del contenitore 3.

Una resina adatta ad essere espansa secondo l'invenzione ? composta da due parti, che una volta mescolate reagiscono tra loro, formando il polimero e contemporaneamente producono il gas che fa espandere la resina stessa e forma una schiuma. Nel caso si tratti di un poliuretano, una parte ? composta da un poliisocianato, ad es. un derivato del Difenilmetanodiisocianato (MDI), mentre l?altra parte contiene un poliolo, ad esempio un polietilenglicol (PEG) di opportuno peso molecolare, o un suo derivato con un contenuto di acqua opportuno (es.

0,5%). Quando le due parti vengono mescolate, parte dell?isocianato reagisce con l?acqua e produce bolle di CO2.

Un altro esempio di matrice espandente, sempre formata da due parti, ha una parte che contiene un organopolisilossano che incorpora almeno due gruppi vinilici, un organopolisilossano terminato idrossile ed un catalizzatore di idrosililazione. L?altra parte ? formata da un polimetilidrogenosilossano di lunghezza opportuna. Quando queste due parti vengono mescolate, l?organopolisilossano terminato idrossile reagisce con parte del polimetilidrogenosilossano e genera bolle di idrogeno. L'organopolisilossano vinilico polimerizza per addizione con il metilidrogenosilossano poliorganosilossano.

La matrice dell'invenzione ? preparata secondo il procedimento che segue.

All'interno del contenitore 3 sono innanzitutto alloggiate le batterie 2. Successivamente il contenitore 3 ? chiuso con un coperchio ed al suo interno ? iniettata la resina di formazione della matrice 4, cos? da riempire gli spazi vuoti tra le batterie ed il contenitore medesimo. Alternativamente la resina pu? essere velocemente colata nel contenitore 3, che viene poi chiuso.

Secondo l'invenzione, il volume V1 di questi spazi vuoti all'interno del pacco di batterie 1 ? minore del volume V2 che la matrice 4 occupa quando ? liberamente espansa senza confinamento durante la polimerizzazione e ci? provoca lo schiacciamento della resina stessa contro le pareti esterne 8a delle batterie e contro le pareti interne 8b del contenitore 3. Una volta raggiunto il punto di gel, la resina non si espande ulteriormente ed ? lasciata a riposo fino a polimerizzazione completata.

A titolo di confronto ? stato realizzato un esempio di formulazione della resina espandente di formazione della matrice 4 del pacco di batterie dell'invenzione (Esempio I), che comprende una parte A nella quale ? stato introdotto l?agente di espansione polimetilidrogeno silossano (PMHS), assente invece nella resina della tecnica nota (Esempio II).

Gli altri componenti che fanno parte della miscela delle resine degli esempi citati sono:

- DGEBA = DiGlicidilEtere del Bisfenolo A

- DGEBF = DiGlicidilEtere del Bisfenolo F

- Reactive Diluent = Diluente Epossidico Reattivo

- Epossilano = Glicidil-3-ossipropil trimetossi silano

- KR2300 = Biossido di Titanio

- T60 = Agente di riempimento Ossido di AlluminioTabulare (conducibilit? termica 29 W/mK)

- Fumed Silica = Silice di Fiamma

- Accelerante = Ammina Terziaria

- ATH = Allumina triidrata

100 g del componente A dell'Esempio I dell'invenzione sono stati mescolati a 50 g del componente B. La resina dell'Esempio I dell'invenzione ? stata poi fatta reagire in un contenitore cilindrico chiuso, avente un volume V1 minore del volume V2 di espansione libera della resina in ambiente aperto. All'interno del contenitore ? collocato un tubo metallico di minimo spessore, trattato con un agente distaccante antiadesivo sulla superficie. Al termine della polimerizzazione il tubo metallico interno ? stato rimosso e dal contenitore cilindrico ? stato tolto il provino di matrice espansa 4 illustrato in figura 5.

Come meglio ? illustrato in figura 6, sul provino di matrice 4 cos? ottenuto si distinguono una parte interna spugnosa 10 e delle parti esterne costituite da uno strato compatto 9, in forma di una pelle (skin) di resina compatta, sostanzialmente priva di cavit? o di bolle, collocata sulle superficie di contatto della matrice con le pareti del contenitore cilindrico esterno e del tubo interno.

Su una sezione del provino di matrice 4 di figura 5 si ? successivamente ricavato un campione di dimensioni opportune. Con una abrasione leggera ? quindi stato rimosso lo strato 9. Di questo campione si sono misurate la densit? e la conducibilit? termica con strumento TCI di C-Therm (Test Method Modified Transient Plane Source Conforms to ASTM D7984). Si sono effettuate misure analoghe anche sulla matrice non espansa ricavata dalla resina dell?Esempio II della tecnica nota, ottenuta come sopra descritto per l'Esempio I dell'invenzione.

I risultati di queste misurazioni sono riportati nella tabella che segue, dalla quale si vede che sul provino di matrice espansa dell'invenzione si riscontrano valori di conducibilit? termica confrontabili con quelli della matrice non espansa della tecnica nota, ma con valori di densit? considerevolmente inferiori:

Nella tabella che segue l'Esempio I dell'invenzione ? stato inoltre messo a confronto con il materiale descritto nella "Formulation 5" della pubblicazione WO2018148282A:

Nella tabella che segue i valori di densit? e conducibilit? termica della matrice ottenuta con la resina dell'Esempio I dell'invenzione sono stati messi a confronto con i corrispondenti valori di densit? e di conducibilit? termica del materiale descritto nella pubblicazione WO2018148282A1, "Formulation 5":

In questa tabella si pu? notare che la matrice espansa utilizzata nel confezionamento del pacco di batterie dell'invenzione presenta una conducibilit? termica maggiore di quella riportata nella citata pubblicazione anteriore, seppure con valori di densit? paragonabili.

Per verificare l?effetto dello strato compatto 9 presente sulla matrice 4 del pacco di batterie dell'invenzione, sul provino di figura 5 ? stato effettuato il seguente esperimento comparativo.

La matrice espansa 4 ? stata condizionata in stufa ventilata a 30?C per un tempo sufficiente ad assicurare il raggiungimento dell?equilibrio termico. Mantenendo sempre la matrice in ambiente a temperatura controllata, ? stata posta dell?acqua calda nella cavit? interna della matrice, che sostanzialmente configura la fonte 2 del calore che deve essere dissipato, monitorando successivamente l?evoluzione della temperatura nelle tre posizioni delle termocoppie: A (superficie interna), B (parete esterna), C (pareti delle basi superiore ed inferiore del provino cilindrico) indicate in figura 5.

Le stesse misurazioni sono state ripetute, sul provino di figura 5, dopo asportazione dello strato esterno di resina compatta 9, per abrasione leggera dalle superfici superiore ed inferiore C. La rimozione di questi strati provoca una sorta di taglio termico alla conduzione del calore attraverso la matrice, in particolare come illustrato nelle curve di temperatura del grafico di figura 7.

Dalle curve indicate in questa figura risulta evidente la maggiore efficienza della matrice 4, nella rimozione del calore dall?acqua (curva A1), in corrispondenza della posizione A del provino di figura 5, provvista di strati 9 di resina compatta, se confrontata con l?opzione ?senza skin? (curva A2). La medesima efficienza ? mostrata dalla termocoppia nella posizione C. Infatti la soluzione ?con skin? (curva C1) asporta pi? calore della soluzione ?senza skin? (curva C2). Nelle curve B1 e B2 del provino di figura 5, corrispondenti alle temperature misurate nella posizione B, la differenza ? meno accentuata, in quanto pi? lontane dalla sorgente di calore (posizione A).

All'invenzione, come sopra descritta ed illustrata nelle figure, ? possibile apportare delle modifiche per realizzare delle varianti che tuttavia rientrano nell'ambito delle rivendicazioni che seguono. Cos?, per esempio, la matrice dell'invenzione potrebbe essere utilizzata per la rimozione del calore da parti motore su mezzi di trasporto, quali ad esempio aeroplani, elicotteri ecc., nonch? ad altri dispositivi in genere del tipo a ricarica elettrica.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI

1. Matrice di resina sintetica, in particolare per i pacchi di batterie ricaricabili di veicoli o altri dispositivi ad alimentazione elettrica comprendenti delle batterie, che rappresentano la fonte (2) del calore che deve essere disperso, alloggiate all'interno di un contenitore chiuso (3), caratterizzata dal fatto di presentare:

- un sottile strato compatto o "skin" (9) di matrice (4) sulle superfici di contatto tra quest'ultima e le pareti esterne (8a) della fonte di calore (2) e le pareti interne (8b) del contenitore (3), che favorisce la dissipazione del calore verso l'esterno della detta matrice (4);

- delle porzioni (10) di matrice espansa (4), che riempiono gli spazi vuoti tra la citata fonte di calore (2) e le pareti del contenitore e che sono adatte per diminuire il peso complessivo della detta matrice rispetto ad una matrice compatta non schiumosa.

2. Matrice secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di essere ottenuta per reazione chimica tra una resina sintetica ed almeno una sostanza indurente, cos? da formare una matrice (4) di resina espansa indurita, schiacciata o compressa all'interno del volume del detto contenitore chiuso (3).

3. Matrice secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che le dette resine sono delle resine bicomponenti.

4. Matrice secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che la detta almeno una sostanza indurente ? costituita da poliammine, poliammidi, polioli e simili.

5. Matrice secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto di comprendere dal 90 al 50% peso di resina e dal 10 al 50% peso di sostanza indurente, compresi in entrambi i casi le cariche, gli additivi stabilizzanti, ecc.

6. Matrice secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di contenere inoltre almeno un agente di schiumatura, presente in una delle due parti delle dette resine bicomponenti e che reagisce con almeno un differente composto chimico presente nell?altra parte.

7. Matrice secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che il detto almeno un agente di schiumatura ? presente in quantit? comprese tra lo 0,01% e il 10% in peso rispetto al peso totale della matrice.

8. Matrice secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre almeno un agente solido di riempimento quale ossido di alluminio, alluminio triidrato, ossido di zinco, ecc., avente una conducibilit? termica maggiore di 1,5 W/mK e con la funzione di conferire alla matrice (4) il necessario livello di conducibilit? termica.

9. Matrice secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre almeno un agente solido di riempimento quale rame, argento, grafene o altri composti chimici elettricamente conduttivi, aventi lo scopo di conferire la necessaria conducibilit? termica ed elettrica.

10. Matrice secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che il detto almeno un agente di riempimento si trova nella forma di una polvere (6), dispersa nella detta matrice in quantit? dall'1% al 90% peso rispetto al peso totale della matrice.

11. Pacco di batterie ricaricabili, in particolare per le batterie ricaricabili di veicoli ad alimentazione elettrica, comprendente delle batterie (2) alloggiate all'interno di un contenitore chiuso (3), caratterizzato dal fatto di presentare una matrice (4) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, di riempimento degli spazi vuoti tra le citate batterie (2) e le pareti interne del detto contenitore (3).

12. Pacco di batterie secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto di presentare:

- un sottile strato compatto o "skin" (9) di matrice (4) sulle superfici di contatto tra quest'ultima e le pareti esterne (8a) delle batterie (2) e le pareti interne (8b) del contenitore (3), che favorisce la dissipazione del calore delle batterie verso l'esterno del pacco di batterie (1); e

- delle porzioni (10) di matrice espansa (4), che riempiono gli spazi vuoti tra le batterie e le pareti del contenitore e che sono adatte per diminuire il peso complessivo del pacco di batterie (1) rispetto ad una matrice compatta non schiumosa.

13. Pacco di batterie secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che il volume (V1) dei detti spazi vuoti all'interno del pacco di batterie (1) ? minore del volume di espansione (V2) che la detta matrice (4) occuperebbe all'aperto o in condizioni libere.

14. Procedimento per la realizzazione della matrice e del pacco di batterie secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere l'iniezione della detta resina sintetica all'interno del citato contenitore chiuso (3), avente un volume (V1) minore del volume (V2) di espansione della detta resina all'aperto o in condizioni libere.

15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto di prevedere lo schiacciamento della detta matrice (4) contro le pareti esterne (8a) delle batterie (2) e contro le pareti interne (8b) del contenitore (3) del detto pacco di batterie (1).