Kraft- och energilagringsbatteripaket sätts samman genom serie- och parallellkoppling av celler, men cellerna är inte i direkt kontakt med varandra. Litium-jonceller genomgår volymexpansion under laddning och urladdning, så buffertmaterial måste anordnas mellan cellerna för att absorbera mekanisk påfrestning. För närvarande används skummaterial i stor utsträckning för att tillfredsställa både dynamisk buffring och statiska stödkrav.
01 Svällningsfenomen med litium-jonbatterimoduler
Litium-jonbatterier kallas livligt "gungstolsbatterier": drivna av potentialskillnader pendlar litiumjoner fram och tillbaka mellan katoder och anoder för att lagra och frigöra elektrisk energi.
Icke desto mindre orsakar interkaleringen och deinterkaleringen av Li+ in i och ut ur katod- och anodaktiva material volymexpansion av aktiva substanser. Sådan svullnad delas in i två kategorier: reversibel svullnad och irreversibel svullnad. Irreversibel svullnad ackumuleras kontinuerligt när laddnings-urladdningscyklerna ökar.
Det finns tre grundorsaker till cellsvullnad: elektrokemisk svullnad, gasgenereringssvullnad och temperatureffekter.
Epoxiskivor används vanligtvis som buffertmaterial mellan bly-syrabatterier för två-elfordon. Emellertid har epoxiskivor hög sprödhet och noll motståndskraft, och absorberar inte cellexpansionskraften. Därför är de olämpliga som buffertmaterial för litium-jonbatterier trots deras ultra-låga kostnad.
Kisel-anodlitium-jonbatterier ger drastiskt högre energitäthet jämfört med kol-anoder, vilket representerar ett effektivt tillvägagångssätt för att ytterligare öka batteriets energitäthet. Ändå har deras överdrivna svullnadshastighet (tjockleken ökar med 15 %–30 % efter 100 cykler) länge hindrat storskalig kommersiell användning.
02 Huvudtyper av buffertmaterial
Cellsvullnad är en inneboende egenskap under hela batteriernas livslängd. Att mildra negativa effekter orsakade av svullnad blir avgörande för att förlänga batteriets livslängd.
Underlåtenhet att adekvat buffra irreversibel cellsvullnad kommer att påskynda kapacitetsförsämringen ytterligare.
Fyra kärnregler för svullnad av litium-jonceller:
Rumsfördelning: Expansionskraften i den centrala zonen är större än den vid kanterna.
Kapacitetskorrelation: Större cellkapacitet motsvarar högre svällningshastighet (energilagringsceller har i allmänhet stor kapacitet).
Cellkemi: Ternära celler sväller mer allvarligt än LFP-celler. NCM811-celler uppnår en svullnadsgrad på 6%–8%, medan LFP-celler endast når 3%–5%. I allmänhet uppvisar celler med högre energitäthet högre svällningshastigheter.
Antal cykler: Irreversibel svullnad ackumuleras med ökande laddnings-urladdningscykler, vilket leder till större total cellexpansion.
Buffertmaterial är därför oumbärliga komponenter för moduler och tjänar tre kärnfunktioner: tryckfördelning, förskjutningskompensation, värmeisolering och flamskydd.
(1) Silikonskum
Bassilikonhartset har en densitet av 1,17 g/cm³; efter skumning sjunker densiteten till 0,16–0,20 g/cm³. Den uppnår UL94-V0 vertikal flamskydd och låg kompressionsinställning. Silikonskum rekommenderas för energilagringsmoduler med hög kapacitet med stark expansionskraft.
(2) EVA-skum
EVA-skum ses ofta i dagliga produkter som toffelsulor. Användare kanske märker dess uppenbara nackdel: häldelen genomgår permanent tillplattad efter lång-användning, vilket indikerar en hög kompressionsuppsättning av EVA. EVA-skum är låg-kostnad och appliceras huvudsakligen mellan prismatiska cellmoduler.
(3) CR-skum
CR-skum, fullständigt namn Chloroprene Rubber Foam, uppfyller UL94 V-0 flamskyddscertifiering och RoHS miljöstandarder. Egenskaper: låg densitet, lätt, låg hårdhet, hög kompressibilitet, utmärkt värmeisolering och flamskydd, överlägsen motståndskraft och lång livslängd.
(4) PU-skum
PU avser sampolymerer som består av otaliga mikro-porer och ramverk av polyuretanharts, inklusive polyurea och modifierad polyuretan. PU ger något sämre kompressionsförmåga och används oftast mellan påscellsmoduler. Egenskaper: porös struktur, låg densitet, hög specifik hållfasthet, anständig studs och luftpermeabilitet, låg hysteresförlust, högt kompressionsbelastningsförhållande, bra flambeständighet och enastående motståndskraft mot termisk åldring, fuktighetsåldring och dynamisk utmattning.
(5) MPP-skum
MPP är ett poröst skummad polypropen (PP)-material tillverkat med ren superkritisk koldioxidteknologi för att generera många mikron-stora bubblor inuti substratet. MPP uppfyller RoHS- och REACH-standarder och används allmänt inom den nya energiindustrin. Funktioner: lätt, hög hållfasthet, effektiv absorption av stötenergi, utmärkt flamskydd och värmebeständighet.
(6) Aerogel
Ovanstående material är elastiska substrat huvudsakligen utformade för att absorbera cellexpansionskraft. Aerogel är ett annat allmänt antaget inter-cellmaterial fokuserat på värmeisolering och flamskydd; den har också hyfsad kompressibilitet för att ge måttlig buffertprestanda. Till exempel, under en belastning på cirka 200 kgf på en 1P13S-modul, komprimeras ett 2,0 mm tjockt aerogelark ner till cirka 1,5 mm.
Aerogel värmeisoleringsskivor är kompositmaterial gjorda av silica aerogel och keramiska fibersubstrat. De har låg densitet, hög porositet, hög temperaturbeständighet och låg värmeledningsförmåga, vilket effektivt blockerar värmeutbredning mellan celler under termisk flykt.
