Механизъм на деформация и стратегии за предотвратяване на алуминиев корпус на литиево-йонни батерии

Литиево--йонните батерии, с техните предимства на правилна структура и висока енергийна плътност, се използват широко в области като нови енергийни превозни средства. Въпреки това, техните анизотропни структурни характеристики ги правят податливи на проблеми с деформацията като вдлъбнати и изпъкнали клетки поради неравномерни сили в посоките на дължина и ширина по време на производството, което от своя страна влияе върху безопасността и експлоатационния живот на батерията. Появата на проблеми с деформацията е тясно свързана с множество аспекти като свойства на материала, производствени процеси и вътрешен контрол на околната среда на Power Battery Cell. Необходимо е да се анализират причините от множество измерения и да се прилагат целенасочени политики. Тази статия предоставя-задълбочен анализ на основните причини за деформация в захранващите клетки Lifepo4 и мерките за предотвратяване и контрол на системата, предоставяйки технически справки за индустриалната производствена практика.

В системата за производство на литиево-йонни батерии стабилността на структурата на корпуса на литиево-йонните батерии е пряко свързана с надеждността на продукта и възникването на проблеми с деформацията често е резултат от синергичния ефект на множество фактори, като свойства на материала, контрол на процеса и вътрешно термодинамично състояние. От гледна точка на материала и структурните размери, изборът на материал на алуминиевата обвивка и конструкцията на якост са основните фактори. Ако се използват материали с недостатъчна якост на опън, като алуминиева сплав 3003, или ако дебелината на черупката е по-малка от 0,6 mm, те са склонни към деформация при вътрешно налягане и термичен стрес. В същото време структурните характеристики на зоната на заваряване не могат да бъдат пренебрегнати. Засегнатата от топлина зона, образувана по време на процеса на заваряване, ще изпита 20-30% намаление на локалната якост поради реорганизация на решетката, превръщайки се в зона на концентрация на напрежение, която е склонна към деформация, когато бъде подложена на последващо напрежение.

Рационалността на процеса на заваряване има решаващо влияние върху структурната стабилност на обвивката на литиево-йонната батерия за слънчевата система, а дефектите в процеса са важна връзка в предизвикването на деформация. Лазерното заваряване, като основен процес, ако контролът на входящата топлина е извън контрол, като мощност над 300 W или скорост на заваряване под 30 mm/s, това ще доведе до локални температури, далеч надвишаващи точката на топене на алуминия при 660 градуса, и разтопеният басейн ще бъде твърде дълбок, което води до рязко увеличаване на стреса при свиване при охлаждане; Неправилният дизайн на заваръчния шев, като например липсата на прорези за освобождаване на напрежението при непрекъснато пръстеновидно заваряване и ширината на заваръчния шев под 0,8 mm, може да намали-носещият капацитет на заваръчния шев и допълнително да увеличи риска от деформация.

Ненормалното вътрешно налягане на батерията е основната термодинамична причина за деформация, която съществува и в основните системи като LiFePO4 литиево-йонна батерия. Странични реакции, като разлагане на електролита и необичайно увреждане на SEI филма вътре в клетката на батерията, ще ускорят производството на газ, когато температурата надвиши 45 градуса, а когато вътрешното налягане надвиши 10kPa, ще тласне черупката да се деформира; В същото време скоростта на разширение на отрицателния електрод може да достигне 20-30% в напълно заредено състояние. Ако пролуката между сърцевината и вътрешната стена на обвивката надвишава 1,0 mm (стандартната пролука е 0,3-0,8 mm), силата на разширение не може да бъде ефективно ограничена от обвивката и ще се обърне към по-висока степен на свобода във вертикална посока, причинявайки деформация на покриващата плоча или страничната стена. В допълнение, при производството на литиеви батерии на системи за съхранение на слънчева енергия, ако празнината между сърцевината и вътрешната стена на корпуса надвишава стандарта, отрицателният електрод първо ще запълни околните празнини при разширяване, допълнително усилвайки ефекта на вертикална деформация.

Отклоненията в контрола на процеса по време на производствения процес също могат да предизвикат или изострят проблемите с деформацията. Ако празнината между покриващата плоча и корпуса надвишава 0,2 mm по време на процеса на сглобяване, топлинното напрежение по време на заваряване ще се насложи с ефекта на изместване на междината, което директно води до деформация; Ако степента на вакуум е зададена твърде ниска (под -90kPa) по време на етапа на запечатване, външното атмосферно налягане ще въздейства директно върху слабите части на корпуса, причинявайки пасивна деформация на компресия.

Въз основа на горния механизъм на деформация и индустриалната техническа практика може да се изгради система за предотвратяване и контрол от измерения като оптимизиране на материала, подобряване на процеса, контрол на вътрешното налягане и укрепване на процеса. По отношение на материалната и структурната оптимизация, основната идея е да се подобри-носещият капацитет на обвивката, което може да се постигне чрез използване на 5052 алуминиева сплав с 30% увеличение на якостта на опън, добавяне на 0,5-1,0 mm високи подсилващи ребра в зоната на горния капак и увеличаване на дебелината на обвивката на литиево-йонните батерии на Solar Home System до 0,8-1,0 мм. В същото време е приета композитна заваръчна структура, съчетаваща лазерно заваряване и ултразвуково заваряване, за да се намали входящата топлина в една точка и да се подобри стабилността на зоната на заваряване.

Подобряването на процеса на заваряване трябва да се съсредоточи върху финия контрол, като се използва стратегия за градиентно заваряване на мощност, тоест комбинация от параметри от 200W/30mm/s за началната секция, 250W/25mm/s за средната секция и 180W за крайната секция, за да се контролира дълбочината на засегнатата от топлина зона в рамките на 0,5 mm; В същото време оптимизирайте дизайна на заваръчния шев, като промените непрекъснатия заваръчен шев на сегментиран режим на заваряване, като всеки сегмент е 5-8 мм и е запазена зона за освобождаване на напрежението от 2 мм. В същото време увеличете ширината на заваръчния шев до 1,2 мм, за да увеличите носещата способност на заваръчния шев.

Контролът на вътрешното налягане трябва да започне от два аспекта: компенсация на разширението и потискане на производството на газ. По отношение на структурния дизайн, еластичен буферен слой със степен на компресия над 50% може да бъде монтиран от вътрешната страна на покриващата плоча на литиеви слънчеви батерии, оставяйки 0,5-1,0 mm пространство за разширение, за да се облекчи въздействието на налягането, причинено от разширението на отрицателния електрод; По отношение на оптимизацията на химическата система, добавянето на 1-2% FEC филмообразуващи добавки в процеса на инжектиране може ефективно да потисне ненормалното увреждане на SEI филма, да контролира производството на газ при пълно зареждане в рамките на 0,5 ml/Ah (наблюдавано в реално време чрез тестване с газова хроматография) и да намали натрупването на вътрешно налягане от източника.

Засилването на контрола на процеса изисква използването на интелигентна технология, въвеждане на визуална система за позициониране в процеса на сглобяване, за да се контролира точността на позициониране в рамките на ± 0,05 mm. В същото време надграждането на заваръчното приспособление до режим на затягане с постоянна сила осигурява сила на затягане от 20-30N с флуктуации, които не надвишават 5%, намалявайки риска от деформация, причинен от отклонение при монтажа. Добавете станция за изпитване на налягане в етапа на химическо разделяне, която автоматично ще алармира, когато откритото налягане надвиши 5kPa. В същото време, комбинирано с рентгеново откриване на скоростта на деформация на корпуса, прагът ще се контролира в рамките на 0,3%, за да се постигне ранно идентифициране и контрол на проблемите с деформацията в батерията за литиево-йонна система за съхранение на енергия.

Трябва да се отбележи, че предотвратяването на деформация и контролът на обвивката от литиево-йонни за BESS е систематичен инженерен процес. Техническите параметри, включени в изделието, трябва да бъдат комбинирани със специфично производствено оборудване, продуктови модели и сценарии за приложение и оптимизирани и проверени чрез експерименти на DOE преди внедряване. За продукти със специални сценарии на приложение, като напрЛитиево-йонни батерии, необходимо е допълнително да се коригират параметрите за предотвратяване и контрол въз основа на характеристиките на температурата и налягането на околната среда на приложение, за да се гарантира структурната стабилност на продукта през целия му жизнен цикъл. В допълнение, предотвратяването на деформация и контролът на акумулаторната литиево-йонна батерия също трябва да вземе предвид термодинамичните промени по време на циклите на зареждане и разреждане и да постигне контрол на качеството през целия процес.