Stroom- en energieopslagbatterijpakketten worden samengesteld door serie- en parallelle verbinding van cellen, maar cellen staan niet in direct contact met elkaar. Lithium--ioncellen ondergaan volume-expansie tijdens het opladen en ontladen, dus er moeten buffermaterialen tussen de cellen worden geplaatst om mechanische spanning te absorberen. Momenteel worden schuimmaterialen op grote schaal gebruikt om te voldoen aan zowel dynamische bufferings- als statische ondersteuningsvereisten.
01 Zwellingsfenomeen van lithium-ionbatterijmodules
Lithium--ionbatterijen worden ook wel "schommelstoelbatterijen" genoemd: aangedreven door potentiaalverschil pendelen lithiumionen heen en weer tussen kathodes en anodes om elektrische energie op te slaan en vrij te geven.
Niettemin veroorzaakt de intercalatie en de-intercalatie van Li⁺ in en uit kathode- en anode-actieve materialen volume-expansie van actieve stoffen. Dergelijke zwelling valt in twee categorieën: omkeerbare zwelling en onomkeerbare zwelling. Onomkeerbare zwelling stapelt zich voortdurend op naarmate de laadcycli- toenemen.
Er zijn drie hoofdoorzaken voor celzwelling: elektrochemische zwelling, zwelling door gasontwikkeling en temperatuureffecten.
Epoxyplaten worden vaak gebruikt als buffermateriaal tussen lood-zuuraccu's voor twee- elektrische voertuigen op wielen. Epoxyplaten hebben echter een hoge brosheid en geen veerkracht, waardoor ze de celexpansiekracht niet kunnen absorberen. Daarom zijn ze ongeschikt als buffermateriaal voor lithium-ionbatterijpakketten, ondanks hun ultra-lage kosten.
Silicium-anode-lithium--ionbatterijen leveren een drastisch hogere energiedichtheid vergeleken met koolstof--anode-tegenhangers, wat een effectieve aanpak vertegenwoordigt om de energiedichtheid van batterijen verder te verhogen. Toch heeft hun buitensporige zwelsnelheid (de dikte neemt met 15%-30% toe na 100 cycli) lange tijd commerciële toepassing op grote schaal -gehinderd.
02 Belangrijkste soorten buffermaterialen
Het opzwellen van cellen is een inherent kenmerk gedurende de volledige levensduur van batterijen. Het verzachten van de negatieve effecten veroorzaakt door zwelling wordt van cruciaal belang voor het verlengen van de levensduur van de batterij.
Het onvermogen om onomkeerbare celzwelling adequaat te bufferen zal de capaciteitsafbraak verder versnellen.
Vier kernregels voor het zwellen van lithium-ioncellen:
Ruimtelijke verdeling: De uitzettingskracht in de centrale zone is groter dan die aan de randen.
Capaciteitscorrelatie: Een grotere celcapaciteit komt overeen met een hogere zwelsnelheid (energieopslagcellen hebben doorgaans een grote capaciteit).
Celchemie: Ternaire cellen zwellen ernstiger dan LFP-cellen. NCM811-cellen bereiken een zwellingssnelheid van 6% –8%, terwijl LFP-cellen slechts 3% –5% bereiken. Over het algemeen vertonen cellen met een hogere energiedichtheid hogere zwellingssnelheden.
Aantal cycli: Onomkeerbare zwelling stapelt zich op naarmate de laad-{0}}ontladingscycli toenemen, wat leidt tot een grotere algehele celexpansie.
Buffermaterialen zijn daarom onmisbare componenten voor modules en vervullen drie kernfuncties: drukverdeling, verplaatsingscompensatie, thermische isolatie en vlamvertraging.
(1) Siliconenschuim
De basissiliconenhars heeft een dichtheid van 1,17 g/cm³; na het schuimen daalt de dichtheid tot 0,16–0,20 g/cm³. Het bereikt UL94-V0 verticale vlamvertraging en lage compressieset. Siliconenschuim wordt aanbevolen voor energieopslagmodules met hoge capaciteit en een sterke expansiekracht.
(2) EVA-schuim
EVA-schuim wordt veel aangetroffen in dagelijkse producten zoals pantoffelzolen. Gebruikers kunnen het voor de hand liggende nadeel opmerken: het hielgedeelte wordt na langdurig gebruik -permanent plat, wat wijst op een hoge compressie van EVA. EVA-schuim is goedkoop-en wordt voornamelijk toegepast tussen prismatische celmodules.
(3) CR-schuim
CR-schuim, volledige naam Chloroprene Rubber Foam, voldoet aan de UL94 V-0 vlamvertragende certificering en RoHS-milieunormen. Kenmerken: lage dichtheid, lichtgewicht, lage hardheid, hoge samendrukbaarheid, uitstekende thermische isolatie en vlamvertraging, superieure veerkracht en lange levensduur.
(4) PU-schuim
PU verwijst naar copolymeren die zijn samengesteld uit talloze micro-poriën en raamwerken van polyurethaanhars, waaronder polyurea en gemodificeerd polyurethaan. PU levert iets mindere compressieveerkracht en wordt meestal gebruikt tussen zakcelmodules. Kenmerken: poreuze structuur, lage dichtheid, hoge specifieke sterkte, behoorlijke rebound en luchtdoorlaatbaarheid, laag hysteresisverlies, hoge compressiebelastingsverhouding, goede vlambestendigheid en uitstekende weerstand tegen thermische veroudering, veroudering door vocht en dynamische vermoeidheid.
(5) MPP-schuim
MPP is een poreus geschuimd polypropyleen (PP) materiaal vervaardigd via schone superkritische koolstofdioxidetechnologie om talrijke belletjes van micron-grootte in het substraat te genereren. MPP voldoet aan de RoHS- en REACH-normen en wordt breed toegepast in de nieuwe energie-industrie. Kenmerken: lichtgewicht, hoge sterkte, efficiënte schokenergieabsorptie, uitstekende vlamvertraging en hittebestendigheid.
(6) Aerogel
De bovengenoemde materialen zijn elastische substraten die primair zijn ontworpen om de celexpansiekracht te absorberen. Aerogel is een ander veelgebruikt inter{1}}celmateriaal dat zich richt op thermische isolatie en vlamvertraging; het beschikt ook over een behoorlijke samendrukbaarheid om gematigde bufferprestaties te leveren. Onder een belasting van ongeveer 200 kgf op een 1P13S-module wordt bijvoorbeeld een aerogelplaat van 2,0 mm dik samengedrukt tot ongeveer 1,5 mm.
Thermische isolatieplaten van aerogel zijn composietmaterialen gemaakt van silica-aerogel en keramische vezelsubstraten. Ze hebben een lage dichtheid, hoge porositeit, hoge temperatuurbestendigheid en lage thermische geleidbaarheid, waardoor de warmtevoortplanting tussen cellen tijdens thermische runaway effectief wordt geblokkeerd.
