بستههای باتری ذخیرهسازی نیرو و انرژی توسط اتصال سری و موازی سلولها مونتاژ میشوند، اما سلولها در تماس مستقیم با یکدیگر نیستند. سلولهای یونی لیتیوم در طول شارژ و تخلیه دچار انبساط حجمی میشوند، بنابراین مواد بافر باید بین سلولها مرتب شوند تا تنش مکانیکی را جذب کنند. در حال حاضر، مواد فوم به طور گسترده ای برای برآوردن نیازهای بافر پویا و پشتیبانی استاتیک مورد استفاده قرار می گیرند.
01 پدیده تورم ماژولهای باتری لیتیوم-
باتریهای یونی لیتیوم- به طور واضح «باتریهای صندلی گهوارهای» نامیده میشوند: یونهای لیتیوم به دلیل اختلاف پتانسیل، برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی بین کاتدها و آندها به عقب و جلو میروند.
با این وجود، درون و برونزدایی Li+ به داخل و خارج از مواد فعال کاتد و آند باعث انبساط حجمی مواد فعال میشود. چنین تورمی به دو دسته تقسیم می شود: تورم برگشت پذیر و تورم غیر قابل برگشت. با افزایش چرخههای تخلیه شارژ، تورم برگشتناپذیر پیوسته جمع میشود.
سه دلیل اصلی برای تورم سلول وجود دارد: تورم الکتروشیمیایی، تورم تولید گاز و اثرات دما.
تختههای اپوکسی معمولاً بهعنوان مواد بافر بین باتریهای سرب-اسید برای خودروهای برقی دو{1}چرخدار استفاده میشوند. با این حال، تخته های اپوکسی دارای شکنندگی بالا و انعطاف پذیری صفر هستند و در جذب نیروی انبساط سلولی ناتوان هستند. بنابراین، آنها به عنوان مواد بافر برای بستههای باتری لیتیوم{4} یونی با وجود هزینه بسیار کم-شان نامناسب هستند.
باتریهای یونی سیلیکونی-لیتیوم آند- چگالی انرژی بسیار بالاتری را در مقایسه با همتایان آند کربن- ارائه میکنند که نشاندهنده یک رویکرد مؤثر برای افزایش بیشتر چگالی انرژی باتری است. با این حال نرخ تورم بیش از حد آنها (ضخامت 15٪ تا 30٪ بعد از 100 چرخه افزایش می یابد) مدتها است که مانع از کاربرد تجاری در مقیاس بزرگ شده است.
02 انواع اصلی مواد بافر
تورم سلولی یک ویژگی ذاتی در طول عمر کامل باتری ها است. کاهش اثرات نامطلوب ناشی از تورم برای افزایش عمر چرخه باتری بسیار مهم است.
شکست در بافر کافی تورم سلولی برگشت ناپذیر باعث تسریع بیشتر در تخریب ظرفیت می شود.
چهار قانون اصلی حاکم بر تورم سلولهای لیتیوم{0}}:
توزیع فضایی: نیروی انبساط در ناحیه مرکزی بیشتر از لبه ها است.
همبستگی ظرفیت: ظرفیت سلولی بزرگتر با نرخ تورم بالاتر مطابقت دارد (سلول های ذخیره انرژی معمولاً ظرفیت های زیادی دارند).
شیمی سلولی: سلول های سه تایی شدیدتر از سلول های LFP متورم می شوند. سلولهای NCM811 به نرخ تورم 6 تا 8 درصد میرسند در حالی که سلولهای LFP تنها به 3 تا 5 درصد میرسند. به طور کلی سلول هایی با چگالی انرژی بالاتر نرخ تورم بالاتری را نشان می دهند.
تعداد چرخه: تورم برگشت ناپذیر با افزایش چرخههای تخلیه{0} بار جمع میشود و منجر به گسترش کلی سلول میشود.
بنابراین مواد بافر اجزای ضروری برای ماژول ها هستند و سه عملکرد اصلی را انجام می دهند: توزیع فشار، جبران جابجایی، عایق حرارتی و بازدارندگی شعله.
(1) فوم سیلیکون
رزین سیلیکون پایه دارای چگالی 1.17 گرم بر سانتی متر مکعب است. پس از کف کردن، چگالی به 0.16-0.20 g/cm³ کاهش می یابد. به UL94-V0 بازدارندگی عمودی شعله و مجموعه فشرده سازی کم دست می یابد. فوم سیلیکون برای ماژول های ذخیره انرژی با ظرفیت بالا با نیروی انبساط قوی توصیه می شود.
(2) فوم EVA
فوم EVA به طور گسترده در محصولات روزانه مانند زیره دمپایی دیده می شود. کاربران ممکن است متوجه اشکال آشکار آن شوند: قسمت پاشنه بعد از استفاده طولانی مدت دچار صاف شدن دائمی میشود که نشاندهنده یک مجموعه فشردهسازی بالا از EVA است. فوم EVA ارزان{3}}هزینه است و عمدتاً بین ماژول های سلول منشوری اعمال می شود.
(3) فوم CR
فوم CR، با نام کامل فوم لاستیک کلروپرن، مطابق با گواهینامه ضد شعله UL94 V-0 و استانداردهای محیطی RoHS است. ویژگی ها: چگالی کم، سبک وزن، سختی کم، تراکم پذیری بالا، عایق حرارتی عالی و مقاوم در برابر شعله، انعطاف پذیری عالی و عمر طولانی.
(4) فوم PU
PU به کوپلیمرهایی اطلاق میشود که از تعداد بیشمار میکرو-منافذ و چارچوبهای رزین پلیاورتان، از جمله پلی اوره و پلیاورتان اصلاحشده تشکیل شدهاند. PU انعطاف پذیری فشرده سازی کمی پایین تر ارائه می دهد و بیشتر بین ماژول های سلول کیسه ای استفاده می شود. ویژگی ها: ساختار متخلخل، چگالی کم، استحکام ویژه بالا، برگشت پذیری مناسب و نفوذپذیری هوا، افت پسماند کم، نسبت بار فشاری بالا، مقاومت در برابر شعله خوب، و مقاومت فوق العاده در برابر پیری حرارتی، پیری رطوبت و خستگی دینامیکی.
(5) MPP فوم
MPP یک ماده پلی پروپیلن فومدار متخلخل (PP) است که از طریق فناوری دی اکسید کربن فوق بحرانی تمیز برای تولید حبابهای میکرونی{0}}در داخل بستر تولید میشود. MPP مطابق با استانداردهای RoHS و REACH است و به طور گسترده در صنعت انرژی های جدید استفاده می شود. ویژگی ها: سبک وزن، استحکام بالا، جذب موثر انرژی ضربه، بازدارندگی عالی در برابر شعله و مقاومت در برابر حرارت.
(6) ایروژل
مواد فوق بسترهای الاستیک هستند که در درجه اول برای جذب نیروی انبساط سلولی طراحی شده اند. ایروژل یکی دیگر از مواد متداول بین سلولی است که بر روی عایق حرارتی و بازدارندگی شعله تمرکز دارد. همچنین دارای تراکم پذیری مناسبی برای ارائه عملکرد بافر متوسط است. به عنوان مثال، تحت بار تقریباً 200 کیلوگرم بر روی یک ماژول 1P13S، یک ورق هواژل با ضخامت 2.0 میلی متر تا حدود 1.5 میلی متر فشرده می شود.
ورق های عایق حرارتی ایروژل مواد کامپوزیتی هستند که از زیرلایه های سیلیکا ایروژل و الیاف سرامیکی ساخته شده اند. آنها دارای چگالی کم، تخلخل بالا، مقاومت در برابر دمای بالا و رسانایی حرارتی پایین هستند که به طور موثری از انتشار گرما بین سلول ها در طول فرار حرارتی جلوگیری می کند.
