چگونه قاب‌های آلومینیومی باتری‌های لیتیومی مدیریت حرارتی را برای طولانی‌مدت-عملکرد باتری بهبود می‌بخشند

همانطور که صنعت انرژی جدید جهانی شتاب می‌گیرد-با تبدیل شدن وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) و سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS) به جریان اصلی{1}}یکی از عوامل حیاتی که عملکرد و طول عمر باتری را تعیین می‌کند اغلب در مرکز توجه قرار می‌گیرد: مدیریت حرارتی. باتری‌های لیتیوم{3}}، ستون فقرات دستگاه‌های انرژی جدید مدرن، به دما بسیار حساس هستند: عملکرد بالای 45 درجه یا کمتر از -20 درجه می‌تواند عمر چرخه آنها را 30 تا 50 درصد کاهش دهد، خطرات ایمنی (مانند فرار حرارتی) را افزایش دهد و چگالی انرژی را در طول زمان کاهش دهد. در حالی که فن های خنک کننده، سینک های حرارتی، و مواد رابط حرارتی در مدیریت حرارتی نقش دارند، جعبه آلومینیومی باتری لیتیومی{10}}بیرونی ترین "محافظ" باتری به عنوان یک قهرمان گمنام ظاهر شده است. بیش از یک پوسته ساختاری، به عنوان یک تنظیم کننده حرارتی غیرفعال عمل می کند که گرما را به طور موثر دفع می کند، دمای مطلوب را حفظ می کند و از سلول های باتری محافظت می کند.

کاهش طول عمر:هر 10 درجه افزایش دمای کارکرد باتری (بالاتر از 25 درجه) می تواند عمر چرخه باتری را به نصف کاهش دهد. به عنوان مثال، یک باتری EV معمولی با طول عمر 1500-در 25 درجه تنها در صورتی ممکن است 750 چرخه دوام بیاورد که به طور مداوم در 35 درجه کار کند. مدیریت ضعیف حرارتی، طول عمر باتری 8 ساله را تنها به 4 سال تبدیل می کند که هزاران هزینه جایگزینی برای مصرف کنندگان و اپراتورها دارد.
خطرات ایمنی: گرمای بیش از حد عامل اصلی فرار حرارتی باتری لیتیومی است، پدیده ای که می تواند منجر به آتش سوزی یا انفجار شود. در سال 2023، اداره ملی ایمنی ترافیک بزرگراه ایالات متحده (NHHTSA) بیش از 200 حادثه آتش سوزی EV مرتبط با خنک کننده ناکافی باتری را گزارش کرد که بسیاری از آنها به اتلاف گرمای ناکارآمد از محفظه باتری ها مربوط می شود.
افت عملکرد:دمای بالا توانایی باتری برای ذخیره و تحویل انرژی را کاهش می دهد. یک باتری EV که در دمای 50 درجه کار می کند ممکن است 15 تا 20 درصد از برد خود را از دست بدهد، در حالی که یک باتری ذخیره انرژی مسکونی در همان دما ممکن است در زمان اوج خاموشی برق خانه را تامین نکند. دمای سرد نیز به همان اندازه مشکل ساز است، سرعت شارژ را کاهش می دهد و خروجی انرژی را محدود می کند.

هدایت حرارتی برتر:پوشش باتری آلومینیومی دارای رسانایی حرارتی 205 W/(m·K) است که به مراتب بالاتر از فولاد (50 W/(m·K)) و پلاستیک (0.2-0.5 W/(m·K)) است. این بدان معناست که کیس های آلومینیومی می توانند گرما را از سلول های باتری به محیط خارجی تا 4 برابر سریعتر از فولاد و 400 برابر سریعتر از پلاستیک منتقل کنند.

توزیع یکنواخت حرارت:برخلاف فولاد (که به دلیل ساختار کریستالی خود دارای انتقال حرارت ناهموار است) و پلاستیک (که گرما را در نقاط داغ به دام می اندازد)، باتری پوسته گرما را به طور مساوی در سطح خود توزیع می کند. این از "تشکیل نقطه داغ"-مناطق محلی با دمای شدید که تخریب سلول را تسریع می‌کنند، جلوگیری می‌کند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، باتری‌های موجود در پوسته‌های باتری خودروی EV تغییرات دمایی فقط 3 تا 5 درجه را در سلول‌ها نشان دادند، در مقایسه با 8 تا 12 درجه برای فولاد و 15 تا 20 درجه برای پلاستیک.

تنظیم حرارتی دوگانه:پوشش باتری آلومینیومی نه تنها گرما را دفع می‌کند- بلکه در محیط‌های سرد نیز گرما را حفظ می‌کند. ظرفیت گرمای ویژه پایین آن (0.91 J/(g·K)) به آن اجازه می‌دهد تا گرما را از عملکرد عادی باتری جذب و حفظ کند و سلول‌ها را بالاتر از آستانه بحرانی -20 درجه در آب‌وهوای سرد نگه دارد. برای خودروهای برقی در مناطقی مانند کانادا یا شمال اروپا، این به معنای شارژ سریع‌تر در زمستان و عدم از دست دادن برد به دلیل کاهش عملکرد ناشی از سرما است.

ساختارهای-دیواره نازک اما با استحکام بالا-:کیس‌های آلومینیومی باتری‌های لیتیومی مدرن از آلیاژهای آلومینیومی 6061 یا 6063 استفاده می‌کنند که دیواره‌های نازک (0.8-1.2 میلی‌متر) را می‌سازند و در عین حال مقاومت کششی 260 مگا پاسکال را حفظ می‌کنند+. دیواره‌های نازک مقاومت حرارتی را کاهش می‌دهند-گرما نیازی به عبور از مواد ضخیم برای فرار از مواد ضخیم ندارد{7} تاثیرات (برای خودروهای الکتریکی حیاتی).

کانال های اتلاف حرارت یکپارچه:بسیاری از پوسته‌های باتری دارای کانال‌های میکرو{0} اچ شده با لیزر (0.5 تا 1.0 میلی‌متر عرض) در سطح داخلی یا خارجی هستند. این کانال‌ها به‌عنوان «بزرگراه‌های گرما» عمل می‌کنند و گرمای اضافی را از سطوح سلول به بیرون کیس هدایت می‌کنند. در باتری‌های ESS پرقدرت (که در مراکز داده یا ذخیره‌سازی شبکه استفاده می‌شوند)، این کانال‌ها می‌توانند دمای داخلی را به میزان 8 تا 10 درجه در طول اوج کارکرد کاهش دهند.​

سازگاری رابط حرارتی:قاب‌های آلومینیومی باتری برای کار یکپارچه با مواد رابط حرارتی مانند پدهای گرافیتی یا گریس حرارتی طراحی شده‌اند. برخلاف پلاستیک، سطح صاف صفحه پوشش باتری پاور (Ra کمتر یا مساوی 0.8 میکرومتر) تماس کامل با TIM ها را تضمین می کند و حباب های هوایی را که مانع انتقال گرما می شوند را حذف می کند.

تقویت خنک کننده غیرفعال:برای بسته‌های باتری EV، صفحات پوشش باتری برق اغلب با حلقه‌های خنک‌کننده مایع یا سینک‌های حرارتی جفت می‌شوند-اما به عنوان یک خنک‌کننده غیرفعال عمل می‌کنند. سطح بزرگ پوسته باتری (بهینه شده برای هر اندازه باتری) قرار گرفتن در معرض گرما در هوا را افزایش می دهد، در حالی که طراحی سبک وزن آن (40٪ سبک تر از فولاد) وزن اضافی اضافه نمی کند که مانع کارایی خودرو شود.

برنامه EV:یک تولیدکننده پیشرو چینی خودروهای برقی در سدان کلاس A- خود، قاب‌های باتری فولادی را با پوسته آلومینیومی سلول‌های منشوری لیتیومی ما جایگزین کرد. پس از 2 سال آزمایش در دنیای واقعی، خودروهای برقی فقط 8 درصد کاهش ظرفیت باتری را نشان دادند، در مقایسه با 15 درصد برای مدل‌های با باتری فولادی. رانندگان همچنین گزارش دادند که هیچ افت برد تابستانی (حتی در گرمای 38 درجه) و 10٪ شارژ سریعتر در زمستان گزارش نشده است.

کاربرد ذخیره انرژی:یک ارائه‌دهنده اروپایی ESS از قاب‌های باتری آلومینیومی انرژی جدید ما در یک سیستم ذخیره‌سازی شبکه 500 کیلووات ساعتی استفاده کرد. بیش از 18 ماه، سیستم دمای عملیاتی متوسط ​​32 درجه (بسیار کمتر از آستانه 45 درجه) را حفظ کرد و عمر چرخه باتری 40٪ در مقایسه با سیستم‌های پلاستیکی- قبلی ارائه‌دهنده افزایش یافت. این باعث کاهش هزینه های جایگزینی 20000 یورو برای هر سیستم در طی 5 سال شد

کاربرد لوازم الکترونیکی مصرفی:یک برند جهانی گوشی‌های هوشمند از قاب‌های سلولی باتری منشوری سفارشی‌سازی شده کوچک برای باتری‌های هدفون بی‌سیم خود استفاده کرد. پوسته باتری خودرو EV گرمای ناشی از شارژ سریع (شارژ کامل 10 دقیقه ای) را به طور موثری دفع می کند به طوری که طول عمر باتری هدفون از 2 سال به 3 سال افزایش می یابد و شکایات مشتریان در مورد خراب شدن باتری را تا 60 درصد کاهش می دهد.