От алюминия к прецизионным компонентам: почему в призматических корпусах литиевых батарей все большее внимание уделяется синергии материалов-структуры?

С развитием новых энергетических транспортных средств и систем хранения энергии все более широкое распространение получают призматические литий-ионные батареи. По сравнению с цилиндрическими и пакетными элементами призматические элементы имеют правильную структуру, высокую эффективность использования пространства и простоту интеграции модулей. Призматический кожух литиевой батареи-или крышка-, расположенный в верхней части элемента, служит важным компонентом, соединяющим внутреннюю часть элемента с внешними электрическими системами и механизмами безопасности.

 

Впервые столкнувшись с крышкой аккумуляторного отсека, можно легко принять ее за простую штампованную металлическую крышку. В действительности, однако, современные призматические крышки литиевых батарей превратились из базовых деталей из листового металла в прецизионные сборки, которые объединяют в себе уплотнение, электрическое соединение, предохранительный сброс давления, отверстия для заливки электролита и функции позиционирования сборки.

 

Конструктивно типичный узел призматической крышки аккумулятора включает в себя корпус крышки, положительные и отрицательные клеммы, изоляционные конструкции, уплотнения, отверстие для заливки электролита и механизм предохранительного сброса давления. В технических спецификациях призматических литиевых батарей обычно перечислены такие компоненты, как крышка, клемма электрода, изолирующая пластина и клеммная пластина, а также отверстие для заливки электролита и конструкция предохранительного сброса давления.

 

 

Для призматических литиевых батарей при выборе материала в первую очередь необходимо решить проблему веса. Транспортные средства на новой энергии требуют большего запаса хода и более высоких мощностных характеристик при строгих ограничениях по весу автомобиля; следовательно, структурные компоненты батареи не могут просто увеличиваться в весе без ограничений. Алюминий характеризуется низкой плотностью, а также превосходной электро- и теплопроводностью и способностью к формованию, что делает его хорошо-подходящим для использования в корпусах призматических аккумуляторных элементов и конструкциях крышек.

 

Однако требования к материалам для крышек батарейного отсека выходят за рамки простого принципа «чем легче, тем лучше». Накладки подвергаются штамповке, штамповке и формовке с последующей сборкой и сваркой; следовательно, материал должен обеспечивать баланс между прочностью, пластичностью, стабильностью размеров и технологичностью. Если материал слишком мягкий, при штамповке может возникнуть значительная деформация; если свойства материала несовместимы с процессом сварки, последующие операции соединения могут усложниться. Таким образом, выбор материала для крышек аккумуляторной батареи фактически является неотъемлемой частью как проектирования продукта, так и производственного процесса.

 

 

Крышки аккумуляторной батареи обычно имеют несколько функциональных зон с различными требованиями. Например, область установки терминала требует точного формирования отверстий и особенностей позиционирования; края должны обеспечивать плотное прилегание к алюминиевому корпусу аккумулятора; зона заливки электролита требует определенной ровности и точности размеров; а зона сброса давления-должна включать специальную «ослабленную» конструкцию, предназначенную для обеспечения безопасности. Эти зоны не обязательно имеют одинаковые требования к формованию. Поэтому при выборе материала необходимо учитывать общую структуру изделия, такие балансирующие факторы, как удлинение, упругость, однородность толщины и стабильность штамповки.

 

Согласованность партий материалов также имеет решающее значение для массового производства. Значительные различия в свойствах партий одного и того же материала могут привести к несоответствию штампованных размеров, упругости и последующим характеристикам сварки. Следовательно, по-настоящему зрелый процесс производства крышки аккумуляторной батареи выходит за рамки простого контроля «точности штампа»; для этого требуется комплексное управление стабильностью материала, конструкцией штампа и параметрами штамповки.

 

 

Поскольку аккумуляторный элемент содержит блоки электродов и электролит, между крышкой и корпусом должно быть образовано стабильное уплотнение. Это означает, что край накладки служит не только точкой механического соединения, но и важной основой для последующего герметизирующего сварного шва. Значительное коробление, деформация или отклонения размеров кромки могут нарушить прилегание крышки к корпусу, что, в свою очередь, повлияет на процесс сварки. Следовательно, механические размеры крышки нельзя рассматривать изолированно.

 

С инженерной точки зрения такие факторы, как плоскостность крышки, геометрия кромки, размеры зоны сварки и прилегание к корпусу, должны рассматриваться комплексно.

 

 

Электрическая энергия, генерируемая внутри аккумуляторной ячейки, в конечном итоге должна выводиться через внешние клеммы. Следовательно, положительные и отрицательные клеммы обычно встроены в узел крышки. Эти клеммы выполняют не только проводящую функцию, но также должны отвечать требованиям механической фиксации и электрической изоляции. В типичной конфигурации выводы электродов проходят через отверстия в крышке и поддерживают необходимую электрическую изоляцию от пластины посредством изолирующих компонентов или герметизирующих конструкций. В общедоступной патентной литературе четко описаны взаимоотношения между клеммами, крышкой и изоляционными конструкциями.

 

Вот почему крышку аккумуляторного отсека нельзя рассматривать просто как простой штампованный металлический лист. Корпус крышки представляет собой металлический конструктивный элемент, тогда как клеммы являются функциональными электрическими компонентами; они должны быть точно собраны, чтобы сформировать целостный блок.

 

 

В ненормальных условиях литий-ионные-батареи могут выделять газ и испытывать повышение внутреннего давления; следовательно, призматические ячейки обычно требуют специального механизма сброса давления-. Эти конструкции безопасности обычно проектируются как «ослабленные зоны» или отдельные компоненты с определенными характеристиками активации. Они должны оставаться герметичными во время нормальной работы, но обеспечивать контролируемый путь для выпуска газа, когда внутреннее давление достигает расчетного порога.

 

Патенты на призматические батареи показывают, что предохранительные-конструкции для сброса давления могут быть расположены как на крышке, так и на корпусе батареи, используя специально разработанные ослабленные зоны для облегчения сброса давления. Таким образом, на этапе проектирования крышки зона сброса давления-не может оцениваться исключительно на основе осуществимости процесса штамповки; соображения должны также интегрировать требования безопасности элементов и последующие производственные процессы.

 

 

Электролит — жизненно важный компонент литий-ионных-аккумуляторов, а для производства призматических элементов требуется специальный интерфейс для впрыска электролита. Следовательно, крышка должна иметь специальную наполнительную структуру. После завершения процесса наполнения инъекционный порт требует окончательной герметизации.

 

Общедоступные данные о призматических конструкциях аккумуляторов показывают, что электролит впрыскивается в элемент через отверстие в крышке, которое впоследствии запечатывается. С точки зрения дизайна продукта размещение заправочного отверстия не только влияет на рабочее пространство для производственного оборудования, но также требует учета последующего процесса герметизации и общей структурной схемы готового продукта.

 

 

Для специализированных поставщиков аккумуляторных компонентов реальная задача заключается не просто в выборе алюминиевого сплава, а в определении:

Может ли материал надежно достичь целевой структуры?

Можно ли массово-изготовить конструкцию с использованием существующих инструментов?

Соответствует ли штампованная крышка требованиям сварки?

Будет ли терминальная сборка оставаться стабильной?

Можно ли изготовить защитную-конструкцию для сброса давления последовательно?

 

Эти вопросы в конечном итоге указывают на один принцип: выбор материала не может быть отделен от производственных процессов, а проектирование конструкции не может быть отделено от свойств материала. Именно поэтому в современных алюминиевых крышках батарейных отсеков все больше внимания уделяется DFM (Design for Manufacturing).

 

 

Хорошо продуманная-крышка обеспечивает большую функциональную интеграцию в ограниченном пространстве аккумуляторного элемента. Например, объединение клемм, отверстия для заливки электролита и механизмов безопасности в верхней части уменьшает количество дополнительных конструктивных компонентов. Кроме того, оптимизированное расположение клемм облегчает последующую установку шин.

 

В случае силовых батарей такая конструкция способствует компактному расположению элементов и упрощает структуру внутренних соединений модуля.

 

Правильная призматическая форма систем хранения энергии облегчает модульную сборку нескольких ячеек.

 

Следовательно, конструкция крышки служит не только для отдельного элемента, но также влияет на структурную конструкцию последующих модулей и аккумуляторных блоков.

 

 

По мере того, как новые транспортные средства и аккумуляторные батареи развиваются в направлении более высокого уровня интеграции, крышка силового аккумулятора больше не является простым автономным компонентом. Он служит интерфейсом, соединяющим несколько систем:

 

С одной стороны он соединяется с внутренними выводами и токособирающими структурами элемента батареи;

 

С другой стороны, он подключается к внешним шинам и электрическим системам;

 

Одновременно он образует механическое уплотнение с корпусом батареи;

 

И он выполняет критически важные функции безопасности.

 

Это означает, что при проектировании крышки необходимо учитывать весь аккумуляторный элемент. Для производителей аккумуляторов выбор поставщика, обладающего возможностями, охватывающими разработку материалов, штамповку, сборку клемм, сварку и проверку, может свести к минимуму проблемы интеграции процессов, которые часто возникают при работе с несколькими поставщиками.

 

 

В настоящее время эти накладки в основном используются в силовых батареях для транспортных средств на новой энергии (NEV), аккумуляторных батареях и других призматических литий-ионных батареях.

 

В транспортных средствах на новых источниках энергии приоритетными являются вес, экономия места, виброустойчивость и долгосрочная-стабильность работы.

В то же время приложения для хранения энергии уделяют больше внимания производительности в долгосрочных-средах эксплуатации, надежности герметизации и стабильности партии.

 

Конкретные размеры, расположение клемм, конструкции безопасности и характеристики материалов могут различаться в зависимости от сценария применения.

 

Следовательно, крышки литий-ионных аккумуляторов лучше всего разрабатывать как индивидуальные структурные компоненты, а не просто приобретать их в соответствии с фиксированными, готовыми--спецификациями.