Блоки аккумуляторных батарей питания и энергии собираются путем последовательного и параллельного соединения элементов, при этом элементы не находятся в прямом контакте друг с другом. Литий-ионные элементы- подвергаются увеличению объема во время зарядки и разрядки, поэтому между элементами необходимо размещать буферные материалы для поглощения механических напряжений. В настоящее время пенопластовые материалы широко применяются для удовлетворения требований как к динамической буферизации, так и к статической поддержке.
01 Явление набухания модулей литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные-батареи получили яркое название «батареи-качалки»: под действием разности потенциалов ионы лития перемещаются между катодами и анодами, сохраняя и высвобождая электрическую энергию.
Тем не менее, интеркаляция и деинтеркаляция Li⁺ в катодные и анодные активные материалы и из них вызывают объемное расширение активных веществ. Такие отеки делятся на две категории: обратимые отеки и необратимые отеки. Необратимое набухание постоянно накапливается по мере увеличения количества циклов зарядки-разрядки.
Существует три основные причины набухания клеток: электрохимическое набухание, газообразное набухание и температурное воздействие.
Эпоксидные плиты обычно используются в качестве буферного материала между свинцово--кислотными аккумуляторами двух-колесных электромобилей. Однако плиты из эпоксидной смолы обладают высокой хрупкостью и нулевой упругостью и не способны поглощать силу расширения ячеек. Поэтому они непригодны в качестве буферных материалов для литий-ионных аккумуляторов, несмотря на их сверх-низкую стоимость.
Литий-ионные батареи с кремниевым-анодом-обеспечивают значительно более высокую плотность энергии по сравнению с аналогами с углеродным-анодом, что представляет собой эффективный подход к дальнейшему повышению плотности энергии батареи. Однако их чрезмерная скорость набухания (толщина увеличивается на 15–30 % после 100 циклов) долгое время препятствовала крупномасштабному коммерческому применению.
02 Основные типы буферных материалов
Набухание ячеек является неотъемлемой характеристикой аккумуляторов на протяжении всего их срока службы. Смягчение негативных последствий, вызванных набуханием, становится критически важным для продления срока службы батареи.
Неспособность адекватно буферизировать необратимое набухание клеток еще больше ускорит деградацию емкости.
Четыре основных правила, регулирующих набухание литий-ионных элементов:
Пространственное распределение: Сила расширения в центральной зоне больше, чем по краям.
Корреляция емкости: большая емкость ячейки соответствует более высокой скорости набухания (ячейки хранения энергии обычно имеют большую емкость).
Клеточная химия: тройные клетки набухают сильнее, чем клетки LFP. Клетки NCM811 достигают степени набухания 6–8%, тогда как клетки LFP достигают только 3–5%. В целом клетки с более высокой плотностью энергии демонстрируют более высокую скорость набухания.
Количество циклов. Необратимое набухание накапливается с увеличением количества циклов зарядки-разрядки, что приводит к большему общему расширению ячейки.
Таким образом, буферные материалы являются незаменимыми компонентами модулей, выполняя три основные функции: распределение давления, компенсация смещения, теплоизоляция и огнестойкость.
(1) Силиконовая пена
Базовая силиконовая смола имеет плотность 1,17 г/см³; после вспенивания плотность падает до 0,16–0,20 г/см³. Он обеспечивает вертикальную огнестойкость UL94-V0 и низкую остаточную деформацию при сжатии. Силиконовая пена рекомендуется для модулей хранения энергии большой емкости с сильной силой расширения.
(2) Пена ЭВА
Пена ЭВА широко встречается в повседневных товарах, таких как подошвы для тапочек. Пользователи могут заметить очевидный недостаток: пяточная часть постоянно сплющивается после длительного-использования, что указывает на высокую степень сжатия EVA. Пенопласт EVA недорогой-стоит и в основном применяется между модулями призматических ячеек.
(3) Пена CR
Пена CR, полное название «Пена из хлоропренового каучука», соответствует сертификату огнестойкости UL94 V-0 и экологическим стандартам RoHS. Особенности: низкая плотность, легкий вес, низкая твердость, высокая сжимаемость, отличная теплоизоляция и огнестойкость, превосходная устойчивость и длительный срок службы.
(4) Пена ПУ
Под ПУ понимаются сополимеры, состоящие из бесчисленных микро-пор и каркасов из полиуретановых смол, включая полимочевину и модифицированный полиуретан. Полиуретан обеспечивает немного меньшую устойчивость к сжатию и в основном используется между модулями ячеек. Особенности: пористая структура, низкая плотность, высокая удельная прочность, хороший отскок и воздухопроницаемость, низкие потери на гистерезис, высокий коэффициент сжатия при сжатии, хорошая огнестойкость и выдающаяся устойчивость к тепловому старению, старению во влажности и динамической усталости.
(5) Пена МПП
MPP — это пористый вспененный полипропилен (ПП), изготовленный по технологии чистого сверхкритического диоксида углерода, позволяющей генерировать множество пузырьков микронного- размера внутри подложки. MPP соответствует стандартам RoHS и REACH и широко применяется в новой энергетической отрасли. Особенности: легкий, высокопрочный, эффективное поглощение энергии удара, отличная огнестойкость и термостойкость.
(6) Аэрогель
Вышеупомянутые материалы представляют собой эластичные подложки, предназначенные в первую очередь для поглощения силы расширения клеток. Аэрогель — еще один широко распространенный меж-материал, обеспечивающий теплоизоляцию и огнестойкость; он также обладает приличной сжимаемостью, что обеспечивает умеренную производительность буферизации. Например, под нагрузкой около 200 кгс на модуле 1П13С лист аэрогеля толщиной 2,0 мм сжимается примерно до 1,5 мм.
Теплоизоляционные листы аэрогеля представляют собой композиционные материалы, изготовленные из подложек из кремнеземного аэрогеля и керамического волокна. Они обладают низкой плотностью, высокой пористостью, высокой термостойкостью и низкой теплопроводностью, что эффективно блокирует распространение тепла между ячейками при термическом разгоне.
