תכנון וניתוח של רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים

一. סקירה כללית של רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים
רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים ממלאים תפקיד מכריע בסוללות ליתיום. הם משרתים בעיקר פונקציות כמו העברת אנרגיה, הכללת אלקטרוליטים, הגנת בטיחות, תמיכה וקיבוע סוללות וקישוט חיצוני. רכיבים אלה משפיעים ישירות על היעילות של בטיחות, איטום ויעילות ניצול האנרגיה של סוללות ליתיום.

על פי נתונים רלוונטיים, גודל השוק של רכיבים מבניים של סוללות ליתיום בסין הגיע ל -33.8 מיליארד יואן בשנת 2022, המייצג צמיחה של שנה לשנה של 93.2%. ביניהם, רכיבים מבניים של סוללה פריזמטית תפסו זה מכבר את מרבית שוק הרכיבים המבניים, כאשר נתח שוק גבוה עד 90.7%, ואילו רכיבי מבני סוללה גליליים מהווים 9.3%בלבד. דומיננטיות זו נובעת בעיקר מהפיתוח המהיר של שוק רכב האנרגיה החדש בסין, מונע על ידי תמיכה חזקה במדיניות ממשלתית. כושר הייצור של יצרני הסוללות ומספר התאים בהזמנה עלו משמעותית, והסוללות הפריזמטיות מתאימות יותר לעמוד בדרישות הייצור בקנה מידה גדול.

רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים מורכבים בדרך כלל מקליפה ופלטת כיסוי. תהליך ייצור הקליפות הוא פשוט יחסית, בעיקר באמצעות תהליכי רישום עמוקים רציפים, ובדרך כלל עשוי פלדה או אלומיניום. הוא מציע חוזק מבני גבוה ועמידות חזקה לעומסים מכניים. לעומת זאת, תהליך הייצור של לוחית הכיסוי הוא בדרך כלל מורכב בהרבה מזה של הקליפה. תפקידיו העיקריים כוללים תיקון/איטום, הולכה נוכחית, הקלה בלחץ, הגנת נתיכים והפחתת קורוזיה חשמלית. לדוגמה, הכיסוי העליון מפותל בלייזר לקליפת האלומיניום כדי להכיל ולהבטיח את התא החשוף תוך הבטחת מבנה אטום. הטרמינלים, סרגל האוטובוסים והלשוניות של הכריכה העליונה מרותכים כדי להבטיח הולכה נכונה של מטען וזרם פריקה. כאשר הסוללה נתקלת במצב לא תקין ולחץ פנימי עולה, שסתום הבטיחות של הכיסוי העליון נפתח לשחרור לחץ, מה שמפחית את הסיכון לפיצוץ.

רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים ממלאים תפקיד חיוני בסוללות ליתיום, וסיכויי השוק שלהם הופכים לרחבים יותר ויותר עם פיתוח שוקי רכב האנרגיה ואחסון האנרגיה החדשים.

2. סוגים ופונקציות של רכיבים מבניים

(א) מעטפת
כמרכיב מכריע של רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים, הקליפה ממלאת תפקידי מפתח בקיבוע, הגנה, איטום ופיזור חום. הוא משמש כמחסום בין החומרים הפעילים שבתא התא לסביבה החיצונית לאורך מחזור חייו כולו, ומספק יציבות מבנית למערכת האלקטרוכימית הפנימית ומבטיח שהתא שומר על מבנה יציב בתנאים שונים.

מבחינת ההגנה, הקליפה יכולה לעמוד בעומסים מכניים מסוימים, ולמנוע את ההשפעות החיצוניות לפגוע בתא. פונקציית האיטום שלה מבטיחה שהאלקטרוליט לא ידליף, תוך שמירה על מצב ההפעלה הרגיל של הסוללה. בנוסף, הקליפה מסייעת בפיזור החום על ידי שחרור חום שנוצר במהלך הפעלת הסוללה, ובכך משפר את בטיחות הסוללה והרחיב את תוחלת החיים שלה.

תהליך הייצור של הקליפה כולל בעיקר חיתוך חומרי גלם, ציור עמוק רציף, חיתוך, ניקוי, ייבוש ובדיקה. בין אלה, טכנולוגיית ציור עמוקה רציפה היא ההיבט המאתגר ביותר של ייצור הקליפות. במהלך תהליך זה, חיוני להבטיח עובי קיר אחיד ולמנוע שברים.

בהשוואה להטבעה קונבנציונאלית שלב חד-שלבי, ציור עמוק רציף דיוק קשה יותר. מחסומי הליבה שלה שוכבים בתבניות ובציוד הציור. תבניות באיכות גבוהה וציוד רישום מתקדם הם קריטיים כדי להבטיח דיוק ממדי ויציבות ביצועים של הקליפה.

(ב) לוחית כיסוי
לוחית הכיסוי ממלאת תפקיד מכריע ברכיבים מבניים של תאים פריזמטיים, ומספקת פונקציות כמו חיבור, בידוד, איטום והגנת פיצוץ.

מכסה הפלדה ממוקם בחלקו העליון של לוחית הכיסוי ובעל חוזק גבוה, מה שהופך אותו לעמידה לעיוות תחת כוחות חיצוניים. זה משמש להגנה על גיליון האלומיניום המוגן לפיצוץ והוא גם רכיב לחיבור סוללות בחבילה. טבעת האיטום ממוקמת על הקצה החיצוני ביותר של לוחית הכיסוי, ומבודדת את חלקי המתכת הפנימיים של הכובע המשולב ממעטפת פלדת הסוללה. הוא מספק בידוד למניעת מעגלים קצרים פנימיים ומבטיח גם איטום לאחר אטום הסוללה.

הרכיב המוגן לפיצוץ משמש בעיקר לניתוק חשמל והקלה בלחץ במהלך עומס יתר על הסוללה כדי למנוע פיצוץ הנגרם כתוצאה מלחץ פנימי מוגזם. זה מורכב מטבעת בידוד, גיליון אלומיניום מוגן פיצוץ וחיבור גיליון אלומיניום. גיליון האלומיניום המוגן לפיצוץ ממוקם באמצע צלחת הכיסוי והוא רכיב הליבה שקובע את ניתוק המעגל ואת שחרור הלחץ הקריטי. כאשר הלחץ הפנימי של הסוללה מגיע לערך מסוים, הוא מתפרץ אוטומטית לשחרור לחץ, ומבטיח את בטיחות הסוללה. גיליון האלומיניום המחבר ממוקם בתחתית לוחית הכיסוי ומחובר לגיליון האלומיניום המוגן לפיצוץ על ידי ריתוך לייזר. במקרה של מצב מסוכן, הוא מתנתק מגליון האלומיניום המוגן לפיצוץ. טבעת הבידוד ממוקמת בחיבור בין גיליון האלומיניום המחבר לגיליון האלומיניום המוגן לפיצוץ, ומספק בידוד ובידוד.

תהליך הייצור של לוחית הכיסוי מורכב יותר מזה של הקליפה וכולל בעיקר דפוס הטבעה והזרקה, בדיקת רכיבים, הדבקה, טבילה אספלט, עטיפת קצה ועיצוב, ריתוך נקודה, הרכבת רכיבים, ריתוך ספוט, הרכבה סופית ובדיקה לפני האחסון. שלבי הבדיקה כוללים בדיקת לחץ מוגן לפיצוץ, בדיקת דליפת הליום, בדיקת התנגדות פנימית ובדיקת התנגדות. השלבים המאתגרים יותר בתהליך הייצור הם חלקי ההטבעה והריתוך, כולל הטבעה של כובע פלדה, הטבעה של גיליון אלומיניום מוגן פיצוץ, חיבור הטבעה של גיליון אלומיניום, הטבעה של טבעת איטום, הטבעה של טבעת בידוד, ריתוך חיכוך במהלך התקנת הטרמינל וריתוך לייזר במהלך ההרכבה.

(ג) לוחית חיבור מודול הסוללה

לוחית החיבור למודול הסוללה ממלאת תפקיד חשוב בחיבור רכיבי מודול סוללת החשמל. זה מיוצר לרוב באמצעות חומרים מורכבים רב שכבתיים, כאשר שכבה אחת פועלת כשכבת החיבור בין המחבר לטרמינל כדי להבטיח ביצועי ריתוך טובים. הערימה של חומר רב שכבתי מבטיחה את המוליכות החשמלית של לוחית החיבור. לאחר עיבוד צלחת הבסיס עם שכבות נייר כסף מרובות, הוא יוצר אזור גמיש כדי לפצות על העקירה הנגרמת כתוצאה מהרחבת תא סוללת החשמל, ומפחית את ההשפעה על ממשקי חוזק נמוך. המחברים למודולי סוללות חשמל הם בדרך כלל בצורות מלבניות, טרפזיות, משולשות או מדרגות. משטח החיבור מצופה ב- 0. 1 מ"מ נייר נחושת בעובי ניקל, הנוטה לחמצון ושינוי צבע בטמפרטורות גבוהות במהלך הריתוך, הדורש ליטוש וניקוי מבלי לפגוע בציפוי השטח.

3. תכנון ניתוח מקרה

(א) תכנון שסתום מוגן פיצוץ חדש

בסוג חדש של מבנה תאים פריזמטי, השסתום המוגן לפיצוץ ממוקם בצד הנגדי של האלקטרודות החיוביות והשליליות, הפונה לאדמה. עיצוב זה מציע מספר יתרונות. ראשית, עם הפריסה הזו, המרחב העליון של התא אינו צריך להזמין מקום לשסתום המוגן לפיצוץ, וחוסך מאוד שטח פנימי במעטפת התא. על פי נתוני מחקר רלוונטיים, תכנון זה יכול להגדיל את צפיפות האנרגיה הנפחית בערך [x]%. שנית, ביישומים מעשיים, אם המוצר חווה בורח תרמי בגלל טמפרטורה מוגזמת, השסתום המוגן לפיצוץ יקרע מבלי להגיש סכנה לתושבי תא הטייס ותא הנוסעים, ובכך ביטל סיכוני בטיחות אישיים.

לדוגמה, ביישומים מעשיים ברכבי אנרגיה חדשים, מבנה תאים פריזמטי חדש זה מספק הבטחת בטיחות גבוהה יותר לנוסעים.

(ב) עיצוב משולב
במקרים מסוימים של ייצור מבני תאים פריזמטיים, לוחית הקירור הנוזלית, סרגל האוטובוס ורתמת הדגימה מתוכננים באופן משולב. לעיצוב זה יתרונות משמעותיים. מצד אחד, לוחית הקירור הנוזלית מצמצמת במהירות את טמפרטורת התא, ומבטיחה שהתא פועל בטווח טמפרטורות אופטימלי, ובכך משפר את ביצועי התאים ואת תוחלת החיים. לדוגמה, בבדיקות מעשיות, תאים פריזמטיים עם צלחות קירור נוזלים משולבות הצליחו להוריד את הטמפרטורה שלהם בתואר [x] תחת פעולה רציפה בעומס גבוה בהשוואה לעיצובים מסורתיים. מצד שני, העיצוב המשולב מצמצם את מספר הרכיבים, מפשט את תהליך ההרכבה ומשפר את יעילות הייצור. במקביל, העיצוב המשולב מסייע בהפחתת העלויות הכוללות ומשפר את התחרותיות בשוק של המוצר.

(ג) מבנה ההרכבה המלא של הכרטיסייה
העיצוב של קליפ האביב במבנה התאים הפריזמטי המלא בכרטיסייה הוא ייחודי. קליפ האביב מורכב מצלחת שטוחה ראשונה וצלחת שטוחה שנייה, ויוצרים מבנה בצורת V עשוי מתכת אלסטית. לעיצוב זה יתרונות משמעותיים בחיבור הלשוניות ולוחית הכיסוי. ראשית, קליפ האביב האלסטי בצורת V משתמש בכוח ריבאונד משלו כדי ללחוץ הן על לוחית הכיסוי והן על משטחי הלשונית, ומשיג חיבור חשמלי. הכוח האלסטי משפר גם את מוליכות המגע בין הממשקים. כל עוד הקיים הכוח האלסטי, המוליכות תישאר, תבטל את הצורך בקשרים מרותכים והפחתת קושי ההרכבה. שנית, שטח החתך המוליך של קליפ האביב תלוי באזור החתך של החיבור בין הלוחות השטוחים הראשונים והשניים, שהוא גדול מהחיבור שנוצר על ידי סרגל וריכוך קונבנציונאלי. לדוגמה, בבדיקות מעשיות, תאים פריזמטיים הקשורים לקטעי האביב הראו יכולת זרם יתר גבוהה יותר מאלו המשתמשים בשיטות ריתוך מסורתיות, והשתפרו על ידי [x]%.

(ד) תכנון מבנה קבוע
למבנה הקבוע עבור תאים פריזמטיים ושיטת הייצור של מארז מודול הסוללה הם בעלי ערך מעשי גבוה. העיצוב כולל את השילוב של שלדת הסוללה, מכסה קבוע עליון ורצועות אריזה. לשלדת הסוללה יש משבצת תיקון סוללה ראשונה המתאימה לתחתית התא הפריזמטי, ומדבקת היטב את קרקעית התא. בכובע הקבוע העליון יש משבצת תיקון סוללה שנייה המתאימה לראש התא הפריזמטי, ומדבק היטב את החלק העליון של התא. לבסוף, רצועת האריזה מותאמת מעל שלדת הסוללה והכובע הקבוע העליון ליצירת מבנה קיבוע חבילת סוללה בודד. בנוסף, מעטפת מודול הסוללה מצוידת ברכיבים נגד החלקה ובצלחת תיקון מחיצה עליונה. רכיבי ה- SLIP כוללים מסילות מדריך משני צידי הקליפה הפנימית של מעטפת מודול הסוללה ומגבילים צלעות בתחתית המארז, המסייעים בהגבלת המיקום של כל חבילת סוללה, ומונע טלטול. ניתן לחבר את לוחית התיקון המחיצה העליונה באופן מנתק לקליפה החיצונית של מארז מודול הסוללה, ללחוץ ולתקן את החלקים של חבילות סוללות מרובות. תכנון זה משפר את בטיחות הקיבוע של התאים הפריזמטיים ומספק הגנה אמינה ליישומי תיבות סוללות לאחסון אנרגיה.

4. עיצוב נקודות מפתח סיכום

נקודות המפתח העיצוביות של רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים הן רבות, ונקודות אלה ממלאות תפקיד מכריע בשיפור הבטיחות והביצועים של סוללות ליתיום.

(א) עיצוב איטום נמל הזרקת נוזלים
תכנון האיטום של יציאת הזרקת הנוזל קשור ישירות לבטיחות הסוללה ותוחלת החיים של הסוללה. תקע איטום יציאת הזרקה נוזלית שתוכנן על ידי CATL מורכב מחלק מתכת וחלק גומי, כאשר הפרעה מתאימה לנקודת המגע עם חור ההזרקה. חור ההזרקה כולל גם הפסקה, וחלק הגומי של תקע האיטום מעוצב עם בליטה שיכולה לעסוק בהפסקה. תכנון זה מאפשר הרכבה לקירור בטמפרטורות נמוכות, ומונע למעשה את היווצרותם של חורי מתכת וחלקיקים, ומבטיח איטום אמין של יציאת הזרקת הנוזל. במקביל, חלק הגומי מונע מתנור מתכת וחלקיקים ליפול למעטפת הסוללה, מה שמבטיח בטיחות הסוללה. מבנה האיטום המכני אינו דורש ריתוך בלייזר, מפשט את התהליך ומפחית משמעותית את העלויות.

(ב) תכנון מסוף חיובי ושלילי

הטרמינל החיובי עשוי בדרך כלל מאלומיניום, ואילו הטרמינל השלילי עשוי ממרכיב אלומיניום נחושת. תפקידם העיקרי הוא לנהל זרם. בסוללה, מסוף הכיסוי העליון, סרגל האוטובוס ותאים מרים יחד כדי להבטיח שהזרם יעבור דרך התא לצורך טעינה ופריקה. במודול, מסוף הכיסוי העליון הוא מרותך בלייזר ומובס לסרגל האוטובוס, ויוצר סדרות/חיבורים מקבילים. בנוסף, חיבור ישיר של מעטפת האלומיניום והטרמינל החיובי יכול לבטל את ההבדל הפוטנציאלי בין השניים, למנוע קורוזיה של פגז אלומיניום.

(ג) הגדלת התנגדות סופית חיובית
ההתנגדות בין הטרמינל החיובי לקליפת אלומיניום היא קטנה מאוד, ברמת המיליהם. כאשר מתרחש קצר מעגל, זרם הלולאה גדול, וזה יכול לגרום לנצלה, מה שעלול להוביל לשריפת סוללה, מהווה סכנה בטיחותית משמעותית. נכון לעכשיו, לרוב מתווספים לרוב פלסטיק או סיליקון קרביד בין לוחית הכיסוי העליונה של אלומיניום לבין הטרמינל החיובי כדי להגביר את ההתנגדות המוליכה בין מעטפת האלומיניום לטרמינל החיובי. CATL עיצבה גם תרמיסטור PTC בין הטרמינל החיובי לצלחת הכיסוי העליונה. על ידי ניצול המאפיין של התרמיסטור של שינוי ההתנגדות לטמפרטורה, התרמיסטור PTC יכול לצרוך במהירות אנרגיה פנימית כאשר סוללת החשמל חווה קצרה חיצונית, ומונעת מהלם תרמי מחום מוגזם על הנגד. זה מבטל את סוגיית ההתנגדות הנמוכה הגורמת להתכה ובמקביל להימנע מבעיות כמו ירי סוללה או התכה נגד נגדים כתוצאה מטמפרטורה מוגזמת.

(ד) עיצוב פיצוץ ועיצוב צלחות היפוך
באופן כללי, העטיפה העליונה של סוללות ליתיום ברזל פוספט משתמשת בשסתום מוגן פיצוץ יחיד, עם לחץ פתיחה של 0. 4 0. 8 MPa. כאשר הלחץ הפנימי עולה ועולה על לחץ הפתיחה של השסתום המוגן לפיצוץ, השסתום יקרע בחריץ ויפתח לשחרור לחץ. עבור מערכות סוללות טרנריות, בנוסף לשסתום המוגן לפיצוץ, משתמשים גם בתכנון שילוב צלחות היפוך SSD. לחץ הפתיחה של השסתום המוגן לפיצוץ ולחץ ההיפוך של לוחית ה- SSD הם בדרך כלל {{1 0}}. 751.05 MPa ו- 0.45 ~ 0.5 MPa, בהתאמה. כאשר הלחץ הפנימי של הסוללה עולה ללחץ ההיפוך של SSD, לוחית ההיפוך נדחפת כלפי מעלה, ומנתקת במהירות את הזרם. במקביל, נתיך לוחית החיבור לאלומיניום נושבת, וגורמת לקיצור ישיר בין המסופים החיוביים והשליליים של הכיסוי העליון, מה שחתך במהירות את הזרם.

נקודות המפתח העיצוביות של רכיבים מבניים של תאים פריזמטיים מכסות מספר היבטים, כולל איטום נמל הזרקת נוזלים, תכנון סופני חיובי ושלילי, הגברת התנגדות סופנית חיובית, ועיצוב לוחות הוכחת פיצוץ והיפוך. אלמנטים עיצוביים אלה פועלים יחד כדי לשפר את הבטיחות והביצועים של סוללות ליתיום, ומספקים תמיכה טכנית מוצקה לפיתוח שוקי רכב האנרגיה ואחסון האנרגיה החדשים.