Dizajn i analiza prizmatičnih strukturnih komponenti stanica

一. Pregled prizmatičnih staničnih strukturnih komponenti
Prizmatične stanične strukturne komponente igraju ključnu ulogu u litijevim baterijama. Oni prvenstveno služe funkcijama kao što su prijenos energije, zadržavanje elektrolita, sigurnosna zaštita, podrška baterija i fiksacija te vanjski ukras. Ove komponente izravno utječu na sigurnost, performanse brtve i učinkovitost korištenja energije litijevih baterija.

Prema relevantnim podacima, tržišna veličina strukturnih komponenti litijske baterije u Kini dosegla je 33,8 milijardi juana u 2022. godini, što predstavlja rast iz godine u godinu od 93,2%. Među njima, prizmatične konstrukcijske komponente baterije dugo su zauzimale većinu tržišta konstrukcijskih komponenti, s tržišnim udjelom čak 90,7%, dok cilindrične konstrukcijske komponente baterije čine samo 9,3%. Ova dominacija uglavnom je posljedica brzog razvoja kineskog tržišta novih energetskih vozila, vođenog snažnom podrškom vladine politike. Proizvodni kapacitet proizvođača baterija i broj ćelija po narudžbi značajno su porasli, a prizmatične baterije su prikladnije za ispunjavanje zahtjeva velike proizvodnje.

Prizmatične stanične strukturne komponente obično se sastoje od školjke i pokrovne ploče. Proces proizvodnje školjki relativno je jednostavan, prvenstveno koristeći kontinuirane procese dubokog crtanja, a uglavnom je izrađen od čelika ili aluminija. Nudi visoku strukturnu čvrstoću i snažnu otpornost na mehanička opterećenja. Suprotno tome, proces proizvodnje pokrovne ploče obično je daleko složeniji od onog u školjci. Njegove glavne funkcije uključuju učvršćivanje/brtvljenje, strujnu provođenje, ublažavanje tlaka, zaštitu osigurača i smanjenje električne korozije. Na primjer, gornji poklopac je laserski namijenjen aluminijskoj školjci kako bi se inkapsulirala i pričvrstila gola ćelija, istovremeno osiguravajući zapečaćenu strukturu. Terminali, sabirnice i ćelije na gornjem poklopcu zavareni su kako bi se osiguralo pravilno provođenje struje naboja i ispuštanja. Kad se baterija susreće s nenormalnom situacijom i unutarnji tlak se povećava, sigurnosni ventil gornjeg poklopca otvara se za oslobađanje tlaka, smanjujući rizik od eksplozije.

Prizmatične stanične strukturne komponente igraju neophodnu ulogu u litijevim baterijama, a njihovi tržišni izgledi postaju sve širi od razvoja novih tržišta energetskog vozila i energetskog skladištenja.

2. Vrste i funkcije strukturnih komponenti

(a) školjka
Kao ključna komponenta prizmatičnih staničnih strukturnih komponenti, školjka igra ključnu ulogu u fiksaciji, zaštiti, brtvljenju i rasipanju topline. Služi kao barijera između aktivnih materijala unutar ćelije i vanjskog okruženja tijekom cijelog svog životnog ciklusa, pružajući strukturnu stabilnost unutarnjem elektrokemijskom sustavu i osiguravajući da ćelija održava stabilnu strukturu u različitim uvjetima.

U pogledu zaštite, školjka može podnijeti određena mehanička opterećenja, sprječavajući da vanjski utjecaji oštete ćeliju. Njegova funkcija brtvljenja osigurava da elektrolit ne procuri, održavajući normalno radno stanje baterije. Uz to, školjka pomaže u rasipanju topline oslobađanjem topline generirane tijekom rada baterije, povećavajući na taj način sigurnost baterije i produžujući svoj životni vijek.

Postupak proizvodnje školjke uglavnom uključuje rezanje sirovina, precizno kontinuirano duboko crtanje, rezanje, čišćenje, sušenje i pregled. Među njima je precizno kontinuirana tehnologija dubokog crtanja najizazovniji aspekt proizvodnje školjki. Tijekom ovog procesa ključno je osigurati ujednačenu debljinu stijenke i spriječiti prijelome.

U usporedbi s konvencionalnim žičama u jednom koraku, teže je precizno kontinuirano duboko crtanje. Njegove temeljne barijere leže u kalupima i opremi za crtanje. Visokokvalitetni kalupi i napredna oprema za crtanje presudni su za osiguranje dimenzijske točnosti i stabilnosti performansi školjke.

(b) Pokrilna ploča
Poklonska ploča igra presudnu ulogu u prizmatičnim staničnim strukturnim komponentama, pružajući funkcije poput povezanosti, izolacije, brtvljenja i zaštite od eksplozije.

Čelična poklopac nalazi se na vrhu pokrovne ploče i ima visoku čvrstoću, što ga čini otpornim na deformaciju pod vanjskim silama. Služi za zaštitu aluminijskog lima otpornog na eksploziju, a također je komponenta za spajanje baterija u paketu. Zapečatljiv prsten nalazi se na vanjskom rubu pokrovne ploče, izolirajući unutarnje metalne dijelove kombiniranog poklopca iz čelične školjke baterije. Omogućuje izolaciju za sprečavanje unutarnjih kratkih spojeva, a također osigurava brtvljenje nakon zapečaćenja baterije.

Komponenta otporna na eksploziju prvenstveno se koristi za isključivanje snage i ublažavanje tlaka tijekom preopterećenja baterije kako bi se spriječila eksplozija uzrokovana prekomjernim unutarnjim tlakom. Sastoji se od izolacijskog prstena, aluminijskog lista otpornog na eksploziju i povezivanja aluminijskog lima. Aluminijski lim otporan na eksploziju nalazi se u sredini pokrovne ploče i jezgra je jezgra koja određuje prekid kruga i oslobađanje kritičnog tlaka. Kad unutarnji tlak baterije dosegne određenu vrijednost, on se automatski pukne kako bi se oslobađao tlak, osiguravajući sigurnost baterije. Spojni aluminijski lim nalazi se na dnu pokrovne ploče i povezan je s aluminijskim limom otpornim na eksploziju laserskim zavarivanjem. U slučaju opasne situacije, isključuje se s aluminijskog lista otpornog na eksploziju. Izolacijski prsten nalazi se na spoju između spojnog aluminijskog lima i aluminijskog lima otpornog na eksploziju, pružajući izolaciju i izolaciju.

Proces proizvodnje pokrovne ploče složeniji je od onog u školjci i uglavnom uključuje kalup za ublažavanje i ubrizgavanje, inspekciju komponenti, lijepljenje, uranjanje u asfalt, omotavanje i oblikovanje rubova, zavarivanje spota, sastavljanje komponenti, zavarivanje, konačno sastavljanje i inspekciju prije skladištenja. Faze ispitivanja uključuju ispitivanje tlaka otpornim na eksploziju, ispitivanje propuštanja helija, ispitivanje unutarnjeg otpora i ispitivanje otpornosti. Izazovnije faze u procesu proizvodnje su dijelovi za utiskivanje i zavarivanje, uključujući žigosanje čeličnih poklopca, žigosanje aluminijskog lima otpornog na eksploziju, povezivanje žigosavanja aluminijskog lima, žigosanje prstena za brtvljenje, izolacijsko utiskivanje prstena, zavarivanje trenja tijekom terminalne ugradnje i lasersko zavarivanje tijekom sastavljanja.

(c) Ploča za priključak za modul baterije

Ploča za priključak za modul baterije igra važnu ulogu u povezivanju komponenti modula za napajanje. Uglavnom se izrađuje pomoću višeslojnih kompozitnih materijala, pri čemu jedan sloj djeluje kao povezni sloj između konektora i terminala kako bi se osiguralo dobre performanse zavarivanja. Višeslojno slaganje materijala osigurava električnu vodljivost priključne ploče. Nakon obrade osnovne ploče s više slojeva folije, on tvori fleksibilno područje kako bi se nadoknadio pomak uzrokovano širenjem stanice baterije, smanjujući utjecaj na sučelja niske čvrstoće. Konektori za module napajanja uglavnom su u pravokutnim, trapezoidnim, trokutastim ili stepenastim oblicima. Površina priključka obložena je 0. Bakrenom folijom debljine 1 mm, koja je sklona oksidaciji i miješanju na visokim temperaturama tijekom zavarivanja, zahtijevajući poliranje i čišćenje bez oštećenja površinskog premaza.

3. Analiza slučaja dizajna

(a) Dizajn novog ventila otpornog na eksploziju

U novoj vrsti prizmatične stanične strukture, ventil otporan na eksploziju postavljen je na suprotnoj strani pozitivnih i negativnih elektroda, okrenutih prema tlu. Ovaj dizajn nudi nekoliko prednosti. Prvo, s ovim izgledom, gornji prostor ćelije ne treba rezervirati prostor za ventil otporan na eksploziju, u velikoj mjeri štedeći unutarnji prostor u staničnoj školjci. Prema relevantnim istraživačkim podacima, ovaj dizajn može povećati volumetrijsku gustoću energije za približno [x]%. Drugo, u praktičnim primjenama, ako proizvod doživi toplinsko otpadanje zbog prekomjerne temperature, ventil otporan na eksploziju puknut će bez opasnosti za kabinu i putnike u kabini, učinkovito eliminirajući osobne sigurnosne rizike.

Na primjer, u praktičnim primjenama u novim energetskim vozilima, ova nova prizmatična stanična struktura pruža veću sigurnost za putnike.

(b) integrirani dizajn
U nekim slučajevima izrade prizmatične stanične strukture, ploča za hlađenje tekućine, sabirnice i kabelski svežanj dizajnirani su na integrirani način. Ovaj dizajn ima značajne prednosti. S jedne strane, ploča za hlađenje tekućine brzo smanjuje temperaturu ćelije, osiguravajući da ćelija djeluje unutar optimalnog temperaturnog raspona, poboljšavajući tako performanse stanica i životni vijek. Na primjer, u praktičnim testovima, prizmatične stanice s integriranim tekućim pločama za hlađenje mogle su smanjiti temperaturu za [x] stupanj kontinuiranim radom visokog opterećenja u usporedbi s tradicionalnim dizajnom. S druge strane, integrirani dizajn smanjuje broj komponenti, pojednostavljuje postupak sastavljanja i poboljšava učinkovitost proizvodnje. Istodobno, integrirani dizajn pomaže u smanjenju ukupnih troškova i povećava tržišnu konkurentnost proizvoda.

(c) Potpuna struktura sastavljanja kartica
Dizajn proljetnog isječka u cijeloj tab prizmatičnoj staničnoj strukturi je jedinstven. Proljetni isječak sastoji se od prve ravne ploče i druge ravne ploče, tvoreći strukturu u obliku slova V izrađene od elastičnog metala. Ovaj dizajn ima značajne prednosti u povezivanju kartica i poklopca. Prvo, opružni isječak u obliku slova V koristi vlastitu odbojnu silu za pritisak na pokrovnu ploču i na površine kartica, postižući električnu vezu. Elastična sila također poboljšava kontaktnu vodljivost između sučelja. Sve dok elastična sila postoji, vodljivost će ostati, eliminirajući potrebu za zavarenim spojevima i smanjujući poteškoće u sklopu. Drugo, provodljiva površina presjeka opružne isječke ovisi o području presjeka veze između prvih i drugih ravnih ploča, što je veće od veze koje formiraju konvencionalne sabirnice i zavare. Na primjer, u praktičnim testovima, prizmatične stanice povezane s opružnim isječcima pokazale su veću sposobnost prekomjerne struje od onih koje koriste tradicionalne metode zavarivanja, poboljšavajući se za [x]%.

(d) Dizajn fiksne strukture
Fiksna struktura za prizmatične ćelije i metoda proizvodnje kućišta modula baterije imaju visoku praktičnu vrijednost. Dizajn uključuje kombinaciju šasije baterija, gornje fiksne poklopce i kaiševe za pakiranje. Šasija baterija ima prvi utor za pričvršćivanje baterije koji se prilagođava dnu prizmatične ćelije, sigurno stežući dno ćelije. Gornji fiksni poklopac ima drugi utor za pričvršćivanje baterije koji se prilagođava vrhu prizmatične ćelije, čvrsto stežući vrh ćelije. Konačno, remen za pakiranje postavljen je preko šasije baterije i gornjeg fiksnog poklopca kako bi se stvorio jedna struktura fiksacije baterije. Uz to, kućište modula baterije opremljeno je komponentama protiv klizanja i pločom za pričvršćivanje gornje particije. Komponente protiv klizanja uključuju vodeće tračnice s obje strane unutarnje ljuske kućišta modula baterije i ograničavaju rebra na dnu kućišta, koja pomažu u ograničavanju položaja svakog baterijskog paketa, sprječavajući tresenje. Ploča za pričvršćivanje gornje particije može se odvojiti na vanjsku školjku kućišta modula baterije, pritiskajući i učvršćujući vrhove više paketa baterija. Ovaj dizajn poboljšava sigurnost fiksacije prizmatičnih ćelija i pruža pouzdanu zaštitu za aplikacije za pohranu baterija energije.

4.

Dizajnerske ključne točke prizmatičnih staničnih strukturnih komponenti su brojne, a ove točke igraju ključnu ulogu u poboljšanju sigurnosti i performansi litijevih baterija.

(a) Dizajn brtve za brtvljenje tekućine za ubrizgavanje
Dizajn brtvljenja u otvor za ubrizgavanje tekućine izravno je povezan sa sigurnošću i životom baterije. Utikač za brtvljenje tekućih ubrizgavanja koji je dizajnirao CATL sastoji se od metalnog dijela i gumenog dijela, s smetnjima u kontaktnoj točki s rupom za ubrizgavanje. Rupa za ubrizgavanje također ima udubljenje, a gumeni dio za brtvljenje dizajniran je s izbočinom koja se može uključiti u udubljenje. Ovaj dizajn omogućava sklop za hlađenje pri niskim temperaturama, učinkovito sprečavajući stvaranje metalnih provala i čestica, osiguravajući pouzdano brtvljenje tekuće ubrizgavajuće luke. Istodobno, gumeni dio sprječava da metalne provale i čestice padnu u školjku baterije, osiguravajući sigurnost baterije. Mehanička struktura brtvljenja ne zahtijeva lasersko zavarivanje, pojednostavljujući postupak i značajno smanjuje troškove.

(b) Pozitivan i negativan dizajn terminala

Pozitivni terminal obično je izrađen od aluminija, dok je negativni terminal izrađen od kompozita bakra-aluminij. Njihova primarna funkcija je provoditi struju. U bateriji su zavareni terminal gornjeg poklopca, sabirnice i ćelije kako bi se osiguralo da struja prolazi kroz ćeliju radi punjenja i pražnjenja. U modulu je terminal gornjeg poklopca laserski obložen i pričvršćen na sabirnicu, formirajući serije/paralelne veze. Uz to, izravno povezivanje aluminijske ljuske i pozitivnog terminala može eliminirati razliku potencijala između dva, sprječavajući koroziju aluminijske školjke.

(c) Povećavanje pozitivnog otpora terminala
Otpor između pozitivnog terminala i aluminijske ljuske vrlo je mali, na razini milijahma. Kada se dogodi kratki spoj, struja petlje je velika, a to može uzrokovati iskrivljenje, što može dovesti do požara baterije, što predstavlja značajnu sigurnosnu opasnost. Trenutno se vodljivi plastični ili silicij karbid često dodaje između gornje pokrovne ploče aluminijske ljuske i pozitivnog terminala kako bi se povećao otpor vodljivosti između aluminijske ljuske i pozitivnog terminala. CATL je također dizajnirao PTC termistor između pozitivnog terminala i gornje pokrovne ploče. Koristeći termistor karakterističnu za promjenu otpornosti s temperaturom, PTC termistor može brzo konzumirati unutarnju energiju kada napajačka baterija doživi vanjski kratki spoj, sprječavajući toplinski udar od prekomjerne topline na otporniku. Ovo eliminira pitanje niskog otpora koji uzrokuje taljenje, a istovremeno izbjegava probleme poput vatre baterije ili topljenja otpornika zbog prekomjerne temperature.

(d) Dizajn ploča otporan na eksploziju i preokret
Općenito, gornji poklopac baterija litij željezo fosfata koristi jedan ventil otporan na eksploziju, s tlakom otvaranja 0. 4 0. 8 MPa. Kad se unutarnji tlak poveća i premaši pritisak otvaranja ventila otpornog na eksploziju, ventil će se puknuti na zarezu i otvoriti se za oslobađanje tlaka. Za ternarne sustave baterija, osim ventila otpornog na eksploziju, koristi se i dizajn kombinacije ploča SSD-a. Otvaranje tlaka ventila otpornog na eksploziju i preokret tlaka SSD ploče obično su {{1 0}}. 751.05 MPa i 0,45 ~ 0,5 MPa. Kad se unutarnji tlak baterije poveća na SSD preokretni tlak, prelaska ploča gura prema gore, brzo se odsječe struju. Istodobno, puše osigurač aluminijske priključne ploče, uzrokujući izravni kratki spoj između pozitivnih i negativnih terminala gornjeg poklopca, brzo odsječeći struju.

Dizajnerske ključne točke prizmatičnih staničnih strukturnih komponenti obuhvaćaju nekoliko aspekata, uključujući brtvljenje luka za ubrizgavanje tekućine, pozitivan i negativan terminalni dizajn, povećanje pozitivne otpornosti na terminal i dizajn ploča otpornih na eksploziju i preokreta. Ovi elementi dizajna zajedno rade na poboljšanju sigurnosti i performansi litijevih baterija, pružajući čvrstu tehničku podršku za razvoj novih tržišta energetskog vozila i energetskog skladištenja.