طراحی و تجزیه و تحلیل اجزای ساختاری سلول منشوری

一نمای کلی از مؤلفه های ساختاری سلول منشوری
اجزای ساختاری سلول منشوری نقش مهمی در باتری های لیتیوم دارند. آنها در درجه اول توابع مانند انتقال انرژی ، مهار الکترولیت ، محافظت از ایمنی ، پشتیبانی از باتری و تثبیت و دکوراسیون بیرونی را ارائه می دهند. این مؤلفه ها به طور مستقیم بر ایمنی ، عملکرد آب بندی و بهره وری استفاده از انرژی باتری های لیتیوم تأثیر می گذارد.

براساس داده های مربوطه ، اندازه بازار اجزای ساختاری باتری لیتیوم در چین در سال 2022 به 33.8 میلیارد یوان رسیده است که نشان دهنده رشد سالانه 93.2 ٪ است. در میان آنها ، اجزای ساختاری باتری منشوری مدت هاست که اکثریت بازار مؤلفه های ساختاری را اشغال کرده اند ، با سهم بازار به میزان 90.7 ٪ ، در حالی که اجزای ساختاری باتری استوانه ای تنها 9.3 ٪ را تشکیل می دهند. این تسلط عمدتاً ناشی از توسعه سریع بازار جدید خودروهای انرژی چین است که ناشی از حمایت شدید سیاست دولت است. ظرفیت تولید تولید کنندگان باتری و تعداد سلول ها در هر سفارش به میزان قابل توجهی افزایش یافته است ، و باتری های منشور برای پاسخگویی به خواسته های تولید در مقیاس بزرگ مناسب تر هستند.

اجزای ساختاری سلول منشوری معمولاً از یک پوسته و یک صفحه پوشش تشکیل شده اند. فرآیند تولید پوسته نسبتاً ساده است ، در درجه اول با استفاده از فرآیندهای نقاشی عمیق مداوم ، و به طور کلی از فولاد یا آلومینیوم ساخته شده است. این مقاومت ساختاری بالا و مقاومت شدید در برابر بارهای مکانیکی را ارائه می دهد. در مقابل ، فرآیند تولید صفحه پوشش معمولاً بسیار پیچیده تر از پوسته است. عملکردهای اصلی آن شامل رفع/آب بندی ، هدایت جریان ، تسکین فشار ، محافظت از فیوز و کاهش خوردگی الکتریکی است. به عنوان مثال ، پوشش بالای لیزر به پوسته آلومینیوم جوش داده می شود تا ضمن اطمینان از ساختار مهر و موم شده ، سلول لخت را محاصره و ایمن کند. ترمینال های پوشش بالا ، اتوبوس ها و برگه های سلول برای اطمینان از بار مناسب و انتقال جریان ، جوش داده می شوند. هنگامی که باتری با یک وضعیت غیر طبیعی روبرو می شود و فشار داخلی افزایش می یابد ، شیر ایمنی پوشش بالا برای آزاد شدن فشار باز می شود و خطر انفجار را کاهش می دهد.

اجزای ساختاری سلول منشوری نقش مهمی در باتری های لیتیوم ایفا می کنند و با توسعه وسایل نقلیه جدید انرژی و بازارهای ذخیره انرژی ، چشم انداز بازار آنها به طور فزاینده ای گسترده می شود.

2. انواع و کارکردهای اجزای ساختاری

(الف) پوسته
به عنوان یک مؤلفه مهم اجزای ساختاری سلول منشوری ، پوسته نقش مهمی در تثبیت ، محافظت ، آب بندی و اتلاف گرما دارد. این ماده به عنوان مانعی بین مواد فعال در داخل سلول و محیط خارجی در کل چرخه عمر خود عمل می کند و ثبات ساختاری را به سیستم الکتروشیمیایی داخلی فراهم می کند و اطمینان حاصل می کند که سلول در شرایط مختلف ساختار پایدار را حفظ می کند.

از نظر محافظت ، پوسته می تواند در برابر بارهای مکانیکی خاصی مقاومت کند و از آسیب رساندن به اثرات خارجی به سلول جلوگیری می کند. عملکرد آب بندی آن تضمین می کند که الکترولیت نشت نمی کند ، و وضعیت عملکرد طبیعی باتری را حفظ می کند. علاوه بر این ، این پوسته با آزاد شدن گرمای تولید شده در هنگام کار باتری ، در اتلاف گرما کمک می کند و از این طریق ایمنی باتری را افزایش داده و طول عمر آن را افزایش می دهد.

فرآیند تولید پوسته عمدتاً شامل برش مواد اولیه ، نقاشی دقیق عمیق ، برش ، تمیز کردن ، خشک کردن و بازرسی است. در میان اینها ، دقیق ترین فناوری طراحی عمیق ، چالش برانگیزترین جنبه تولید پوسته است. در طی این فرآیند ، اطمینان از ضخامت یکنواخت دیواره و جلوگیری از شکستگی ضروری است.

در مقایسه با تمبر تک مرحله ای معمولی ، نقاشی عمیق مداوم دشوارتر است. موانع اصلی آن در قالب ها و تجهیزات نقاشی قرار دارد. قالب های با کیفیت بالا و تجهیزات پیشرفته نقاشی برای اطمینان از دقت بعدی و ثبات عملکرد پوسته بسیار مهم هستند.

(ب) صفحه پوشش
صفحه پوشش نقش مهمی در مؤلفه های ساختاری سلول منشوری دارد و توابع مانند اتصال ، انزوا ، آب بندی و محافظت از انفجار را ارائه می دهد.

درپوش فولادی در بالای صفحه پوشش قرار دارد و از مقاومت بالایی برخوردار است و باعث می شود در برابر تغییر شکل تحت نیروهای خارجی مقاوم باشد. این برای محافظت از ورق آلومینیوم ضد انفجار است و همچنین یک مؤلفه برای اتصال باتری ها در بسته است. حلقه مهر و موم در قسمت بیرونی لبه صفحه قرار دارد و قسمتهای فلزی داخلی درپوش ترکیبی را از پوسته فولادی باتری جدا می کند. این عایق را برای جلوگیری از مدارهای کوتاه داخلی فراهم می کند و همچنین پس از مهر و موم شدن باتری ، آب بندی را تضمین می کند.

مؤلفه ضد انفجار در درجه اول برای برش برق و تسکین فشار در حین اضافه بار باتری برای جلوگیری از انفجار ناشی از فشار بیش از حد داخلی استفاده می شود. این شامل یک حلقه انزوا ، ورق آلومینیومی ضد انفجار و اتصال ورق آلومینیومی است. ورق آلومینیوم ضد انفجار در وسط صفحه پوشش قرار دارد و مؤلفه اصلی آن است که برش مدار و انتشار فشار بحرانی را تعیین می کند. هنگامی که فشار داخلی باتری به یک مقدار مشخص می رسد ، به طور خودکار برای آزاد شدن فشار ، از امنیت باتری برخوردار می شود. ورق آلومینیوم اتصال در پایین صفحه پوشش قرار دارد و با جوشکاری لیزر به ورق آلومینیوم ضد انفجار وصل می شود. در صورت وجود یک وضعیت خطرناک ، از ورق آلومینیوم ضد انفجار جدا می شود. حلقه جداسازی در اتصال بین ورق آلومینیوم اتصال و ورق آلومینیوم ضد انفجار قرار دارد و انزوا و عایق را فراهم می کند.

فرآیند تولید صفحه پوشش پیچیده تر از پوسته است و به طور عمده شامل قالب بندی تمبر و تزریق ، بازرسی مؤلفه ها ، چسباندن ، غوطه وری آسفالت ، بسته بندی لبه و شکل دهی ، جوشکاری لکه ها ، مونتاژ مؤلفه ، جوشکاری لکه ، مونتاژ نهایی و بازرسی قبل از ذخیره است. مراحل آزمایش شامل آزمایش فشار ضد انفجار ، آزمایش نشت هلیوم ، آزمایش مقاومت داخلی و آزمایش مقاومت است. مراحل چالش برانگیزتر در فرآیند تولید ، قطعات مهر و موم و جوشکاری از جمله مهر و موم درپوش فولادی ، مهر ورق آلومینیومی ضد انفجار ، اتصال ورق آلومینیومی ، مهر و موم حلقه مهر و موم ، مهر و موم حلقه جداسازی ، جوشکاری اصطکاک در حین نصب ترمینال و جوشکاری لیزر در حین مونتاژ است.

ج) صفحه اتصال ماژول باتری

صفحه اتصال ماژول باتری نقش مهمی در اتصال اجزای ماژول باتری قدرت دارد. این ماده بیشتر با استفاده از مواد کامپوزیت چند لایه ساخته شده است که یک لایه به عنوان لایه اتصال بین کانکتور و ترمینال عمل می کند تا از عملکرد خوب جوشکاری اطمینان حاصل شود. انباشت مواد چند لایه ، هدایت الکتریکی صفحه اتصال را تضمین می کند. پس از پردازش صفحه پایه با چندین لایه فویل ، یک منطقه انعطاف پذیر را برای جبران جابجایی ناشی از گسترش سلول باتری برق تشکیل می دهد و باعث کاهش تأثیر در رابط های کم است. اتصالات ماژول های باتری برق به طور کلی در شکل های مستطیل ، ذوزنقه ای ، مثلثی یا پله ای قرار دارند. سطح اتصال با فویل مس با روکش نیکل ضخامت 1 میلی متر ، که مستعد اکسیداسیون و تغییر رنگ در دماهای بالا در طول جوش است ، پوشش داده می شود و بدون آسیب رساندن به پوشش سطح ، نیاز به پولیش و تمیز کردن دارد.

3. تجزیه و تحلیل مورد طراحی

(الف) طراحی شیر ضد انفجار جدید

در نوع جدیدی از ساختار سلول منشوری ، شیر ضد انفجار در طرف مقابل الکترودهای مثبت و منفی قرار می گیرد که رو به زمین قرار دارد. این طرح مزایای مختلفی را ارائه می دهد. در مرحله اول ، با این طرح ، فضای فوقانی سلول نیازی به ذخیره فضا برای دریچه ضد انفجار ندارد ، و فضای داخلی را در پوسته سلول بسیار صرفه جویی می کند. براساس داده های تحقیق مربوطه ، این طرح می تواند چگالی انرژی حجمی را تقریباً [x] ٪ افزایش دهد. ثانیاً ، در کاربردهای عملی ، اگر محصول به دلیل دمای بیش از حد ، فراری حرارتی را تجربه کند ، شیر ضد انفجار بدون ایجاد خطری برای کابین خلبان و سرنشینان کابین پارگی می شود و به طور موثری خطرات ایمنی شخصی را از بین می برد.

به عنوان مثال ، در کاربردهای عملی در وسایل نقلیه انرژی جدید ، این ساختار سلول منشوری جدید تضمین ایمنی بالاتری را برای مسافران فراهم می کند.

(ب) طراحی یکپارچه
در بعضی موارد از ساخت ساختار سلول منشوری ، صفحه خنک کننده مایع ، نوار اتوبوس و مهار نمونه گیری به روشی یکپارچه طراحی شده است. این طرح مزایای قابل توجهی دارد. از یک طرف ، صفحه خنک کننده مایع به سرعت دمای سلول را کاهش می دهد و اطمینان حاصل می شود که سلول در محدوده دما بهینه عمل می کند و از این طریق عملکرد سلول و طول عمر را بهبود می بخشد. به عنوان مثال ، در آزمایشات عملی ، سلولهای منشوری با صفحات خنک کننده مایع یکپارچه قادر به کاهش دمای خود با درجه [x] تحت عملیات بارگذاری مداوم در مقایسه با طرح های سنتی بودند. از طرف دیگر ، طراحی یکپارچه تعداد مؤلفه ها را کاهش می دهد ، روند مونتاژ را ساده می کند و راندمان تولید را بهبود می بخشد. در عین حال ، طراحی یکپارچه به کاهش هزینه های کلی کمک می کند و باعث افزایش رقابت بازار محصول می شود.

(ج) ساختار مونتاژ کامل برگه
طراحی کلیپ بهاری در ساختار سلول منشوری کامل زبانه بی نظیر است. کلیپ بهاری شامل یک صفحه مسطح اول و یک صفحه مسطح دوم است که یک ساختار V شکل ساخته شده از فلز الاستیک را تشکیل می دهد. این طرح در اتصال زبانه ها و صفحه پوشش از مزایای قابل توجهی برخوردار است. در مرحله اول ، کلیپ بهار Elastic V شکل از نیروی ریباند خود برای فشار دادن در مقابل صفحه پوشش و سطوح زبانه استفاده می کند و به یک اتصال الکتریکی دست می یابد. نیروی الاستیک همچنین هدایت تماس بین رابط ها را بهبود می بخشد. تا زمانی که نیروی الاستیک وجود داشته باشد ، هدایت باقی می ماند و نیاز به اتصالات جوش داده شده و کاهش مشکل مونتاژ را از بین می برد. ثانیاً ، سطح مقطع رسانا کلیپ بهار بستگی به سطح مقطع اتصال بین صفحات مسطح اول و دوم دارد که بزرگتر از اتصال است که توسط بوس های معمولی و جوش ایجاد می شود. به عنوان مثال ، در آزمایشات عملی ، سلولهای منشوری که با کلیپ های بهاری در ارتباط هستند ، توانایی بیش از حد بالاتری نسبت به کسانی که از روشهای سنتی جوش استفاده می کنند ، با [x] ٪ بهبود می یابند.

(د) طراحی ساختار ثابت
ساختار ثابت برای سلولهای منشوری و روش ساخت پوشش ماژول باتری دارای ارزش عملی بالایی است. این طرح شامل ترکیبی از شاسی باتری ، درپوش ثابت و تسمه های بسته بندی است. شاسی باتری دارای اولین شکاف باتری است که با پایین سلول منشوری سازگار است و با اطمینان کف سلول را می بندد. درپوش ثابت دارای یک شکاف باتری دوم است که با بالای سلول منشوری سازگار است و با اطمینان بالای سلول را می بندد. سرانجام ، بند بسته بندی بر روی شاسی باتری و درپوش ثابت بالا قرار دارد تا یک ساختار تثبیت بسته باتری را تشکیل دهد. علاوه بر این ، پوشش ماژول باتری مجهز به اجزای ضد لغزش و یک صفحه ثابت پارتیشن است. اجزای ضد لغزش شامل ریل های راهنما در هر دو طرف پوسته داخلی پوشش ماژول باتری و محدود کردن دنده ها در پایین پوشش است که به محدود کردن موقعیت هر باتری کمک می کند و از لرزش جلوگیری می کند. صفحه ثابت پارتیشن بالا می تواند به طور جداگانه به پوسته بیرونی پوشش ماژول باتری متصل شود ، فشار و رفع قسمتهای مختلف باتری چندین. این طرح ایمنی تثبیت سلولهای منشوری را بهبود می بخشد و محافظت قابل توجهی را برای کاربردهای جعبه باتری ذخیره انرژی فراهم می کند.

4. خلاصه نقاط کلیدی را طراحی کنید

نقاط اصلی طراحی اجزای ساختاری سلول منشوری بی شمار هستند و این نقاط نقش مهمی در بهبود ایمنی و عملکرد باتری های لیتیوم دارند.

(الف) طرح آب بندی پورت تزریق مایع
طراحی آب بندی درگاه تزریق مایع به طور مستقیم با ایمنی و طول عمر باتری مرتبط است. پلاگین مهر و موم پورت تزریق مایع که توسط CATL طراحی شده است از یک قسمت فلزی و یک قسمت لاستیکی تشکیل شده است که یک تداخل در نقطه تماس با سوراخ تزریق قرار دارد. سوراخ تزریق همچنین دارای شکاف است و قسمت لاستیکی پلاگین آب بندی با یک برآمدگی طراحی شده است که می تواند با شکاف درگیر شود. این طرح باعث می شود مونتاژ خنک کننده در دماهای پایین ، به طور موثری از تشکیل آستانها و ذرات فلزی جلوگیری شود و از آب بندی قابل اعتماد درگاه تزریق مایع اطمینان حاصل شود. در عین حال ، قسمت لاستیکی مانع از ریزش فلزی و ذرات در پوسته باتری می شود و از ایمنی باتری اطمینان می دهد. ساختار آب بندی مکانیکی نیازی به جوشکاری لیزر ندارد ، فرآیند را ساده می کند و هزینه های قابل توجهی را کاهش می دهد.

(ب) طراحی ترمینال مثبت و منفی

ترمینال مثبت معمولاً از آلومینیوم ساخته می شود ، در حالی که ترمینال منفی از یک کامپوزیت مس-آلومینیوم ساخته شده است. عملکرد اصلی آنها انجام جریان است. در باتری ، ترمینال بالای پوشش ، چمن و برگه های سلول به هم جوش داده می شوند تا اطمینان حاصل شود که جریان از سلول برای شارژ و تخلیه عبور می کند. در ماژول ، ترمینال بالای پوشش لیزر جوش داده شده و به نوار بغل پیچیده می شود و سری/اتصالات موازی را تشکیل می دهد. علاوه بر این ، اتصال مستقیم پوسته آلومینیوم و ترمینال مثبت می تواند اختلاف پتانسیل بین این دو را از بین ببرد و از خوردگی پوسته آلومینیومی جلوگیری کند.

(ج) افزایش مقاومت مثبت ترمینال
مقاومت بین ترمینال مثبت و پوسته آلومینیوم در سطح Milliohm بسیار اندک است. هنگامی که یک مدار کوتاه رخ می دهد ، جریان حلقه بزرگ است ، و این می تواند باعث جرقه زدن شود که ممکن است منجر به آتش سوزی باتری شود و یک خطر ایمنی قابل توجهی ایجاد کند. در حال حاضر ، کاربید پلاستیکی یا سیلیکون رسانا اغلب بین صفحه پوشش بالای پوسته آلومینیوم و ترمینال مثبت برای افزایش مقاومت رسانا بین پوسته آلومینیوم و ترمینال مثبت اضافه می شود. CATL همچنین یک ترمیستور PTC را بین ترمینال مثبت و صفحه پوشش بالا طراحی کرده است. با استفاده از ویژگی ترمیستور در تغییر مقاومت در برابر دما ، ترمیستور PTC می تواند به سرعت انرژی داخلی را در هنگام تجربه باتری برق یک مدار کوتاه خارجی مصرف کند و از جلوگیری از شوک حرارتی از گرمای بیش از حد بر روی مقاومت جلوگیری می کند. این مسئله مسئله مقاومت کم باعث ذوب شدن می شود و در عین حال از مشکلاتی مانند آتش سوزی باتری یا ذوب مقاومت به دلیل دمای بیش از حد جلوگیری می کند.

(د) طراحی صفحه ضد انفجار و معکوس
به طور کلی ، پوشش بالای باتری های فسفات آهن لیتیوم از یک دریچه ضد انفجار واحد استفاده می کند ، با فشار باز کردن {1}}. 4 {7}} 8 MPa. هنگامی که فشار داخلی افزایش می یابد و از فشار باز شدن دریچه ضد انفجار فراتر می رود ، دریچه در شکاف پارگی می شود و برای رها کردن فشار باز می شود. برای سیستم های باتری سه قلو ، علاوه بر شیر ضد انفجار ، از یک طرح ترکیبی صفحه وارونگی SSD نیز استفاده می شود. فشار باز دریچه ضد انفجار و فشار معکوس صفحه SSD به طور معمول {1 0}}. 751.05 MPa و 0.45 ~ 0.5 MPa است. هنگامی که فشار داخلی باتری به فشار معکوس SSD افزایش می یابد ، صفحه معکوس به سمت بالا هل داده می شود و به سرعت جریان را قطع می کند. به طور همزمان ، فیوز صفحه اتصال آلومینیومی باعث ایجاد یک مدار کوتاه مستقیم بین پایانه های مثبت و منفی پوشش بالا می شود و به سرعت جریان را قطع می کند.

نقاط کلیدی طراحی اجزای ساختاری سلول منشوری چندین جنبه از جمله آب بندی پورت تزریق مایع ، طراحی ترمینال مثبت و منفی ، افزایش مقاومت مثبت ترمینال و طراحی صفحات ضد انفجار و معکوس را در بر می گیرد. این عناصر طراحی با هم برای تقویت ایمنی و عملکرد باتری های لیتیوم کار می کنند و پشتیبانی فنی جامد برای توسعه وسایل نقلیه انرژی جدید و بازارهای ذخیره انرژی ارائه می دهند.