از آلومینیوم تا اجزای دقیق: چرا تاکید فزاینده ای بر هم افزایی ساختار{0} در قاب باتری های لیتیومی منشوری وجود دارد؟

با توسعه وسایل نقلیه انرژی جدید و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، باتری‌های لیتیوم{0} یون منشوری به طور فزاینده‌ای استفاده می‌شوند. در مقایسه با سلول‌های استوانه‌ای و کیسه‌ای، سلول‌های منشوری دارای ساختار منظم، استفاده از فضای زیاد و سهولت یکپارچه‌سازی ماژول هستند. سایبان باتری لیتیومی منشوری-یا صفحه پوششی-که در بالای سلول قرار دارد به عنوان یک جزء حیاتی عمل می‌کند که فضای داخلی سلول را به سیستم‌های الکتریکی خارجی و مکانیسم‌های ایمنی متصل می‌کند.

 

هنگامی که برای اولین بار با صفحه پوشش باتری روبرو می شوید، ممکن است به راحتی آن را با یک درب فلزی ساده اشتباه بگیرید. با این حال، در واقعیت، صفحات پوشش باتری لیتیومی مدرن منشوری از قطعات ورق فلزی اولیه به مجموعه‌های دقیقی تبدیل شده‌اند که آب‌بندی، اتصال الکتریکی، کاهش فشار ایمنی، پورت‌های پر کردن الکترولیت و عملکردهای موقعیت‌یابی مونتاژ را یکپارچه می‌کنند.

 

از نظر ساختاری، یک مجموعه صفحه پوشش باتری منشوری معمولی شامل بدنه صفحه پوششی، پایانه های مثبت و منفی، ساختارهای عایق، مهر و موم، یک پورت پرکننده الکترولیت و یک مکانیسم کاهش فشار ایمنی است. مشخصات فنی باتری‌های لیتیومی منشوری معمولاً اجزایی مانند صفحه کلاهک، ترمینال الکترود، صفحه عایق و صفحه پایانه را در کنار سوراخ پرکننده الکترولیت و ساختار کاهش فشار ایمنی فهرست می‌کند.

 

 

برای بسته‌های باتری لیتیومی منشوری، انتخاب مواد باید ابتدا به مسئله وزن رسیدگی کند. وسایل نقلیه انرژی جدید به برد رانندگی بیشتر و عملکرد قدرت بالاتر در محدوده وزن خودرو نیاز دارند. در نتیجه، اجزای ساختاری باتری نمی توانند به سادگی وزن خود را بدون محدودیت افزایش دهند. آلومینیوم با چگالی کم و همچنین هدایت الکتریکی و حرارتی عالی و شکل‌پذیری مشخص می‌شود، که آن را برای استفاده در محفظه‌های سلول باتری منشوری و ساختارهای صفحه پوششی مناسب می‌سازد.

 

با این حال، مواد مورد نیاز برای صفحات پوشش باتری فراتر از اصل ساده "سبک تر بهتر است" است. صفحات پوششی تحت مهر زنی، پانچ کردن و شکل دهی قرار می گیرند و به دنبال آن مونتاژ و جوش می شوند. در نتیجه، ماده باید تعادلی بین استحکام، شکل‌پذیری، پایداری ابعادی و فرآیندپذیری برقرار کند. اگر ماده خیلی نرم باشد، ممکن است تغییر شکل قابل توجهی در طول مهر زنی رخ دهد. اگر خواص مواد با فرآیند جوشکاری ناسازگار باشد، عملیات اتصال بعدی ممکن است دشوارتر شود. بنابراین، انتخاب یک ماده برای صفحات پوشش باتری به طور موثر بخشی جدایی ناپذیر از طراحی محصول و فرآیند تولید است.

 

 

صفحات پوشش باتری معمولا دارای چندین ناحیه کاربردی با نیازهای متمایز هستند. به عنوان مثال، منطقه نصب ترمینال به شکل گیری دقیق سوراخ ها و ویژگی های موقعیت یابی نیاز دارد. لبه ها باید از تناسب مناسب با پوشش آلومینیومی باتری اطمینان حاصل کنند. ناحیه پر شدن الکترولیت به صافی و دقت ابعادی خاصی نیاز دارد. و منطقه تسکین فشار{1}}ایمنی باید دارای ساختار "ضعیف" خاصی باشد که برای عملکرد ایمنی طراحی شده است. این مناطق لزوماً الزامات شکل دهی یکسانی ندارند. بنابراین، انتخاب مواد باید ساختار کلی محصول، عوامل متعادل کننده مانند ازدیاد طول، برگشت فنری، یکنواختی ضخامت و پایداری مهر و موم را در نظر بگیرد.

 

سازگاری بین دسته های مواد نیز برای تولید انبوه بسیار مهم است. تغییرات قابل توجهی در خواص بین دسته های یک ماده می تواند منجر به ناهماهنگی در ابعاد مهر شده، رفتار برگشت فنری و عملکرد جوش بعدی شود. در نتیجه، فرآیند تولید صفحه پوشش باتری واقعاً بالغ فراتر از کنترل صرفاً "دقت قالب" است. این نیاز به مدیریت یکپارچه پایداری مواد، طراحی قالب و پارامترهای مهر زنی دارد.

 

 

از آنجایی که سلول باتری حاوی مجموعه های الکترود و الکترولیت است، باید یک مهر و موم پایدار بین صفحه پوشش و پوشش تشکیل شود. این بدان معنی است که لبه صفحه پوشش نه تنها به عنوان یک نقطه اتصال مکانیکی بلکه به عنوان یک پایه مهم برای جوش آب بندی بعدی عمل می کند. تاب برداشتن، تغییر شکل یا انحراف ابعادی قابل توجه در لبه می تواند تناسب بین صفحه پوشش و پوشش را به خطر بیندازد، که به نوبه خود بر فرآیند جوشکاری تأثیر می گذارد. در نتیجه، ابعاد مکانیکی صفحه پوشش را نمی توان به صورت مجزا مشاهده کرد.

 

از منظر مهندسی، عواملی مانند صافی صفحه پوشش، هندسه لبه، ابعاد ناحیه جوش و تناسب با پوشش باید به طور کلی در نظر گرفته شوند.

 

 

انرژی الکتریکی تولید شده در سلول باتری در نهایت باید از طریق پایانه های خارجی خروجی شود. در نتیجه، پایانه های مثبت و منفی معمولاً در مجموعه صفحه پوششی ادغام می شوند. این پایانه ها نه تنها عملکرد رسانا را ایفا می کنند، بلکه باید الزامات تثبیت مکانیکی و عایق الکتریکی را نیز برآورده کنند. در یک پیکربندی معمولی، پایانه های الکترود از سوراخ های صفحه پوشش عبور می کنند و از طریق اجزای عایق یا سازه های آب بندی، ایزوله الکتریکی لازم را از صفحه حفظ می کنند. ادبیات ثبت اختراع در دسترس عموم به وضوح روابط بین پایانه ها، صفحه پوششی و ساختارهای عایق را توصیف می کند.

 

به همین دلیل است که صفحه پوشش باتری را نمی توان صرفاً به عنوان یک ورق فلزی مهر و موم شده مشاهده کرد. بدنه صفحه پوششی یک جزء فلزی ساختاری است، در حالی که پایانه ها اجزای الکتریکی کاربردی هستند. این دو باید دقیقاً مونتاژ شوند تا یک واحد کامل را تشکیل دهند.

 

 

در شرایط غیرعادی، باتری‌های لیتیوم{0} یون ممکن است گاز تولید کنند و فشار داخلی را افزایش دهند. در نتیجه، سلول‌های منشوری معمولاً به مکانیزم کاهش فشار اختصاص داده شده- نیاز دارند. این سازه های ایمنی معمولاً به عنوان "مناطق ضعیف" یا اجزای خاص با ویژگی های فعال سازی تعریف شده طراحی می شوند. آنها باید در طول عملیات عادی آب بندی شوند، اما یک مسیر کنترل شده برای انتشار گاز در زمانی که فشار داخلی به آستانه طراحی می رسد، فراهم کنند.

 

پتنت‌های باتری‌های منشوری نشان می‌دهند که سازه‌های فشار ایمنی{0}}را می‌توان روی صفحه پوشش یا پوشش باتری قرار داد و از مناطق ضعیف طراحی‌شده ویژه برای تسهیل آزادسازی فشار استفاده کرد. بنابراین، در طول مرحله طراحی صفحه پوشش، منطقه کاهش فشار را نمی توان صرفاً بر اساس امکان سنجی فرآیند مهر زنی ارزیابی کرد. ملاحظات همچنین باید الزامات ایمنی سلول و فرآیندهای تولید پایین دستی را ادغام کنند.

 

 

الکترولیت جزء حیاتی باتری‌های لیتیوم{0} یونی است و تولید سلول‌های منشوری به یک رابط اختصاصی برای تزریق الکترولیت نیاز دارد. در نتیجه، صفحه پوششی باید دارای ساختار پرکننده مشخصی باشد. پس از تکمیل فرآیند پر کردن، درگاه تزریق نیاز به آب بندی نهایی دارد.

 

داده‌های در دسترس عموم در مورد ساختار باتری منشوری نشان می‌دهد که الکترولیت از طریق سوراخی در صفحه پوششی به سلول تزریق می‌شود که متعاقباً مهر و موم می‌شود. از منظر طراحی محصول، قرار دادن سوراخ پرکننده نه تنها بر فضای عملیاتی تجهیزات تولید تأثیر می‌گذارد، بلکه نیازمند در نظر گرفتن فرآیند آب‌بندی بعدی و طرح کلی ساختاری محصول نهایی است.

 

 

برای تامین کنندگان تخصصی قطعات باتری، چالش واقعی فقط در انتخاب یک آلیاژ آلومینیوم نیست، بلکه در تعیین موارد زیر است:

آیا مواد می توانند به طور قابل اعتماد به ساختار هدف دست یابند؟

آیا می توان ساختار را با استفاده از ابزارهای موجود-تولید انبوه کرد؟

آیا صفحه پوشش مهر شده الزامات جوشکاری را برآورده می کند؟

آیا مجموعه ترمینال ثابت می ماند؟

آیا می‌توان ساختار فشار{0}}ایمنی را به‌طور مداوم تولید کرد؟

 

این سؤالات در نهایت به یک اصل واحد اشاره می‌کنند: انتخاب مواد را نمی‌توان از فرآیندهای ساخت جدا کرد، و همچنین طراحی ساختاری را نمی‌توان از خواص مواد جدا کرد. دقیقاً به همین دلیل است که روکش های جعبه باتری آلومینیومی مدرن به طور فزاینده ای بر DFM (طراحی برای تولید) تأکید می کنند.

 

 

یک صفحه پوششی{0}}که به خوبی طراحی شده است، یکپارچگی عملکردی بیشتری را در فضای محدود سلول باتری ممکن می‌سازد. به عنوان مثال، یکپارچه سازی پایانه ها، درگاه پرکننده الکترولیت و مکانیسم های ایمنی در ناحیه بالا تعداد اجزای ساختاری اضافی را کاهش می دهد. علاوه بر این، یک طرح ترمینال بهینه، نصب بعدی شینه ها را تسهیل می کند.

 

در زمینه باتری های قدرت، این طراحی آرایش سلولی فشرده را ترویج می کند و ساختارهای اتصال داخلی ماژول را ساده می کند.

 

برای سیستم های ذخیره انرژی، شکل منشوری منظم، مونتاژ مدولار سلول های متعدد را تسهیل می کند.

 

در نتیجه، طراحی صفحه پوشش نه تنها در خدمت سلول فردی است، بلکه بر طراحی ساختاری ماژول‌ها و بسته‌های باتری بعدی نیز تأثیر می‌گذارد.

 

 

همانطور که وسایل نقلیه انرژی جدید و باتری های ذخیره انرژی به سمت سطوح بالاتر یکپارچه سازی تکامل می یابند، صفحه پوشش باتری قدرت دیگر یک جزء ساده و مستقل نیست. این به عنوان یک رابط برای اتصال چندین سیستم عمل می کند:

 

از یک طرف، به زبانه‌های داخلی و ساختارهای جمع‌آوری{0} جریان باتری متصل می‌شود.

 

از سوی دیگر، به شینه های خارجی و سیستم های الکتریکی متصل می شود.

 

به طور همزمان، یک مهر و موم مکانیکی با محفظه باتری تشکیل می دهد.

 

و عملکردهای ایمنی حیاتی را انجام می دهد.

 

این بدان معناست که طراحی صفحه پوشش باید با در نظر گرفتن کل سلول باتری نزدیک شود. برای تولیدکنندگان باتری، انتخاب تامین‌کننده‌ای با قابلیت‌های توسعه مواد، مهر زنی، مونتاژ پایانه، جوشکاری و بازرسی می‌تواند مشکلات یکپارچه‌سازی فرآیند را که اغلب هنگام برخورد با چندین فروشنده ایجاد می‌شود، به حداقل برساند.

 

 

در حال حاضر، این صفحات پوششی عمدتاً در باتری‌های نیرو برای وسایل نقلیه با انرژی جدید (NEV)، باتری‌های ذخیره انرژی و دیگر باتری‌های لیتیوم{0} یون منشوری استفاده می‌شوند.

 

برنامه های کاربردی در وسایل نقلیه انرژی جدید وزن، کارایی فضا، مقاومت در برابر ارتعاش و پایداری عملیاتی طولانی مدت را در اولویت قرار می دهند.

در همین حال، برنامه‌های ذخیره‌سازی انرژی، تأکید بیشتری بر عملکرد در محیط‌های عملیاتی بلندمدت-، قابلیت اطمینان آب‌بندی و سازگاری دسته‌ای دارند.

 

ابعاد خاص، چیدمان ترمینال، سازه های ایمنی و مشخصات مواد ممکن است بسته به سناریوی کاربردی متفاوت باشد.

 

در نتیجه، صفحات پوشش باتری یون لیتیوم{0}}بهتر است به‌عنوان اجزای ساختاری سفارشی‌سازی‌شده به‌جای اینکه صرفاً مطابق با مشخصات ثابت و خارج از قفسه تهیه شوند، ساخته شوند.