От алуминий до прецизни компоненти: Защо има все по-голям акцент върху синергията на-структурата на материала в корпусите на призматичните литиеви батерии?

С разработването на нови енергийни превозни средства и системи за съхранение на енергия призматичните литиево-йонни батерии се използват все по-широко. В сравнение с цилиндричните и пауч клетките, призматичните клетки се отличават с правилна структура, високо използване на пространството и лесна интеграция на модула. Призматичният капак на литиева батерия-или капакът-разположен в горната част на клетката служи като критичен компонент, свързващ вътрешността на клетката с външни електрически системи и механизми за безопасност.

 

Когато за първи път срещнете капак на батерията, човек лесно може да го сбърка с обикновен щампован метален капак. В действителност обаче съвременните призматични капаци на литиеви батерии са еволюирали от основни части от ламарина в прецизни възли, които интегрират уплътнение, електрическо свързване, безопасно освобождаване на налягането, отвори за пълнене с електролит и функции за позициониране на сглобката.

 

В структурно отношение типичният призматичен монтаж на покриваща плоча на батерията се състои от тялото на покриващата плоча, положителни и отрицателни клеми, изолационни структури, уплътнения, отвор за пълнене с електролит и механизъм за безопасност за освобождаване на налягането. Техническите спецификации за призматични литиеви батерии обикновено изброяват компоненти като капачка, електроден извод, изолационна плоча и клемна плоча, заедно с отвора за пълнене на електролит и защитната структура за освобождаване на налягането.

 

 

За пакети с призматични литиеви батерии изборът на материал трябва първо да обърне внимание на въпроса за теглото. Новите енергийни превозни средства изискват по-голям обхват на движение и по-висока мощност в рамките на строги ограничения на теглото на превозното средство; следователно структурните компоненти на батерията не могат просто да увеличат теглото си без ограничение. Алуминият се характеризира с ниска плътност, както и с отлична електрическа и топлопроводимост и възможност за формоване, което го прави много -подходящ за използване в призматични корпуси на акумулаторни клетки и конструкции на покривни плочи.

 

Изискванията към материалите за капаците на батериите обаче надхвърлят простия принцип „по-лекото е по-добро“. Покривните плочи се подлагат на щамповане, щанцоване и формоване, последвано от сглобяване и заваряване; следователно, материалът трябва да постигне баланс между здравина, пластичност, стабилност на размерите и възможност за обработка. Ако материалът е твърде мек, по време на щамповането може да възникне значителна деформация; ако свойствата на материала са несъвместими с процеса на заваряване, последващите операции по свързване могат да станат по-трудни. По този начин изборът на материал за капаците на батерията на практика е неразделна част както от дизайна на продукта, така и от производствения процес.

 

 

Капаците на батериите обикновено имат множество функционални зони с различни изисквания. Например зоната за монтиране на терминала изисква прецизно оформяне на отвори и функции за позициониране; ръбовете трябва да осигуряват правилно прилягане към алуминиевия корпус на батерията; зоната за пълнене с електролит изисква специфична плоскост и точност на размерите; и защитната{1}}зона за освобождаване на налягането трябва да включва специфична „отслабена“ структура, проектирана за безопасност. Тези зони не споделят непременно еднакви изисквания за оформяне. Следователно изборът на материал трябва да вземе предвид цялостната структура на продукта, балансиращите фактори като удължение, еластичност, равномерност на дебелината и стабилност на щамповане.

 

Съгласуваността между партидите материали също е от решаващо значение за масовото производство. Значителни вариации в свойствата между партидите от един и същи материал могат да доведат до несъответствия в щампованите размери, поведението при пружиниране и последващите характеристики на заваряване. Следователно, един наистина зрял производствен процес на покриваща плоча на батерията надхвърля простото контролиране на „прецизността на матрицата“; това изисква интегрирано управление на стабилността на материала, дизайна на матрицата и параметрите на щамповане.

 

 

Тъй като акумулаторната клетка съдържа електродни модули и електролит, трябва да се образува стабилно уплътнение между капака и корпуса. Това означава, че ръбът на покриващата плоча служи не само като механична точка на свързване, но и като критична основа за последващата запечатваща заварка. Значително изкривяване, деформация или отклонения в размерите на ръба могат да компрометират прилягането между покриващата плоча и корпуса, което от своя страна засяга процеса на заваряване. Следователно механичните размери на покриващата плоча не могат да се разглеждат изолирано.

 

От инженерна гледна точка, фактори като плоскост на покриващата плоча, геометрия на ръба, размери на заваръчната зона и прилягане към корпуса трябва да се разглеждат холистично.

 

 

Електрическата енергия, генерирана в акумулаторната клетка, трябва в крайна сметка да бъде изведена през външни клеми. Следователно, положителните и отрицателните клеми обикновено са интегрирани в модула на покриващата плоча. Тези клеми изпълняват не само проводяща функция, но също така трябва да отговарят на изискванията за механично фиксиране и електрическа изолация. В типична конфигурация електродните клеми преминават през отвори в покриващата плоча и поддържат необходимата електрическа изолация от плочата чрез изолационни компоненти или уплътнителни структури. Обществено достъпната патентна литература ясно описва връзките между клемите, покриващата плоча и изолационните структури.

 

Ето защо капакът на батерията не може да се разглежда просто като обикновен щампован метален лист. Тялото на покриващата плоча е конструктивен метален компонент, докато клемите са функционални електрически компоненти; двете трябва да бъдат прецизно сглобени, за да образуват цялостна единица.

 

 

При необичайни условия литиево-йонните батерии могат да генерират газ и да изпитат повишаване на вътрешното налягане; следователно призматичните клетки обикновено изискват специален механизъм-за освобождаване на налягането. Тези структури за безопасност обикновено са проектирани като "отслабени зони" или специфични компоненти с определени характеристики на активиране. Те трябва да останат запечатани по време на нормална работа, но да осигуряват контролиран път за изпускане на газ, когато вътрешното налягане достигне проектния праг.

 

Патентите за призматични батерии разкриват, че предпазните{0}}структури за освобождаване на налягането могат да бъдат разположени или върху капака, или върху корпуса на батерията, като се използват специално проектирани отслабени зони за улесняване на освобождаването на налягането. Следователно, по време на фазата на проектиране на покриващата плоча, зоната-за освобождаване на налягането не може да бъде оценена единствено въз основа на осъществимостта на процеса на щамповане; съображенията трябва също да интегрират изискванията за безопасност на клетките и производствените процеси надолу по веригата.

 

 

Електролитът е жизненоважен компонент на литиево-йонните батерии и производството на призматични клетки изисква специален интерфейс за инжектиране на електролит. Следователно покривната плоча трябва да включва определена структура за пълнене. След като процесът на пълнене приключи, портът за инжектиране изисква окончателно запечатване.

 

Обществено достъпните данни за призматичните структури на батериите показват, че електролитът се инжектира в клетката през отвор в капака, който впоследствие се запечатва. От гледна точка на дизайна на продукта, разположението на отвора за пълнене не само засяга работното пространство за производственото оборудване, но също така изисква разглеждане на последващия процес на запечатване и цялостното структурно оформление на крайния продукт.

 

 

За специализираните доставчици на компоненти за батерии истинското предизвикателство не е просто в избора на алуминиева сплав, а в определянето на:

Може ли материалът надеждно да постигне целевата структура?

Може ли структурата да бъде-произведена масово с помощта на съществуващи инструменти?

Ще отговаря ли щампованата покривна плоча на изискванията за заваряване?

Ще остане ли модулът на терминала стабилен?

Може ли предпазната структура{0}}за освобождаване на налягането да се произвежда последователно?

 

Тези въпроси в крайна сметка сочат към един-единствен принцип: изборът на материал не може да бъде отделен от производствените процеси, нито структурният дизайн може да бъде отделен от свойствата на материала. Ето защо модерните алуминиеви капаци на кутията за батерии все повече подчертават DFM (Проектиране за производство).

 

 

Добре{0}}проектираната капачка позволява по-голяма функционална интеграция в ограниченото пространство на клетката на батерията. Например, консолидирането на терминали, порта за пълнене с електролит и предпазните механизми в горната област намалява броя на допълнителните структурни компоненти. Освен това оптимизираното оформление на клемите улеснява последващото монтиране на шини.

 

В контекста на захранващите батерии този дизайн насърчава компактното подреждане на клетките и опростява структурите на вътрешната връзка на модула.

 

За системите за съхранение на енергия правилната призматична форма улеснява модулното сглобяване на множество клетки.

 

Следователно дизайнът на покриващата плоча обслужва не само отделната клетка, но също така влияе върху структурния дизайн на следващите модули и батерийни пакети.

 

 

Тъй като новите енергийни превозни средства и батериите за съхранение на енергия се развиват към по-високи нива на интеграция, капакът на захранващата батерия вече не е прост, самостоятелен компонент. Той служи като интерфейс, свързващ няколко системи:

 

От едната страна той се свързва с вътрешните пластини и-токосъбиращите структури на акумулаторната клетка;

 

От друга страна, той се свързва с външни шини и електрически системи;

 

Едновременно с това образува механично уплътнение с корпуса на батерията;

 

И изпълнява критични функции за безопасност.

 

Това означава, че при проектирането на капака трябва да се подходи с оглед на цялата батерия. За производителите на батерии изборът на доставчик с възможности, обхващащи разработване на материали, щамповане, сглобяване на терминали, заваряване и инспекция, може да минимизира проблемите с интегрирането на процеса, които често възникват при работа с множество доставчици.

 

 

Понастоящем тези капаци се използват предимно в захранващи батерии за превозни средства с нова енергия (NEV), батерии за съхранение на енергия и други призматични литиево-йонни батерии.

 

Приложенията в новите енергийни превозни средства дават приоритет на теглото, пространствената ефективност, устойчивостта на вибрации и дългосрочната-оперативна стабилност.

Междувременно приложенията за съхранение на енергия поставят по-голям акцент върху производителността в дългосрочни-работни среди, надеждността на запечатване и последователността на партидите.

 

Специфичните размери, оформлението на терминалите, структурите за безопасност и спецификациите на материалите може да варират в зависимост от сценария на приложение.

 

Следователно, капаците на литиево-йонните батерии са най-добре разработени като персонализирани структурни компоненти, вместо просто да се доставят според фиксирани,--стандартни спецификации.