Mecanism de deformare și strategii de prevenire a carcasei de aluminiu a bateriilor cu litiu-ion

Bateriile cu litiu-ion, cu avantajele lor de structură normală și densitate mare de energie, sunt utilizate pe scară largă în domenii precum vehiculele cu energie nouă. Cu toate acestea, caracteristicile lor structurale anizotrope îi fac predispuși la probleme de deformare, cum ar fi celulele concave și convexe, din cauza forțelor inegale în direcțiile de lungime și lățime în timpul producției, care la rândul lor afectează siguranța și durata de viață a bateriei. Apariția problemelor de deformare este strâns legată de multiple aspecte, cum ar fi proprietățile materialelor, procesele de fabricație și controlul intern al mediului al celulei de alimentare. Este necesar să se analizeze cauzele din mai multe dimensiuni și să se implementeze politici țintite. Acest articol oferă o analiză-de profunzime a principalelor cauze ale deformării celulelor de putere Lifepo4 și a măsurilor de prevenire și control ale sistemului, oferind referințe tehnice pentru practica de producție în industrie.

În sistemul de producție a bateriilor cu ioni de litiu, stabilitatea structurii carcasei bateriilor cu litiu-ion este direct legată de fiabilitatea produsului, iar apariția problemelor de deformare este adesea rezultatul efectului sinergic al mai multor factori, cum ar fi proprietățile materialului, controlul procesului și starea termodinamică internă. Din perspectiva dimensiunilor materialelor și structurale, selecția materialului carcasei din aluminiu și designul rezistenței sunt factorii fundamentali. Dacă sunt utilizate materiale cu rezistență la tracțiune insuficientă, cum ar fi aliajul de aluminiu 3003, sau dacă grosimea carcasei este mai mică de 0,6 mm, acestea sunt predispuse la deformare sub presiune internă și stres termic. În același timp, caracteristicile structurale ale zonei de sudare nu pot fi ignorate. Zona afectată de căldură-formată în timpul procesului de sudare va experimenta o scădere cu 20-30% a rezistenței locale din cauza reorganizării rețelei, devenind o zonă de concentrare a tensiunilor care este predispusă la deformare atunci când este supusă solicitărilor ulterioare.

Raționalitatea procesului de sudare are un impact decisiv asupra stabilității structurale a carcasei bateriei litiu-ion pentru sistemul solar, iar defectele de proces sunt o verigă importantă în inducerea deformării. Sudarea cu laser, ca proces principal, dacă controlul aportului de căldură este scăpat de sub control, cum ar fi puterea care depășește 300 W sau viteza de sudare sub 30 mm/s, va cauza temperaturi locale care depășesc cu mult punctul de topire al aluminiului la 660 de grade, iar bazinul de topire va fi prea adânc, ceea ce duce la o creștere bruscă a tensiunii de răcire; Designul necorespunzător al cordonului de sudură, cum ar fi absența crestăturilor de reducere a tensiunii în sudarea continuă cu inele și lățimea cordonului de sudură mai mică de 0,8 mm, poate reduce capacitatea portantă-de sarcină a sudurii și poate exacerba și mai mult riscul de deformare.

Presiunea internă anormală a bateriei este principala cauză termodinamică a deformării, care există și în sistemele principale, cum ar fi bateria cu ioni de litiu LiFePO4. Reacțiile secundare, cum ar fi descompunerea electrolitului și deteriorarea anormală a filmului SEI din interiorul celulei bateriei, vor accelera producția de gaz atunci când temperatura depășește 45 de grade, iar când presiunea internă depășește 10 kPa, va împinge carcasa să se deformeze; În același timp, rata de expansiune a electrodului negativ poate ajunge la 20-30% într-o stare complet încărcată. Dacă distanța dintre miez și peretele interior al carcasei depășește 1,0 mm (decalajul standard al industriei este de 0,3-0,8 mm), forța de expansiune nu poate fi constrânsă efectiv de carcasă și se va întoarce spre un grad mai mare de libertate în direcția verticală, provocând deformarea plăcii de acoperire sau a peretelui lateral. În plus, în producția de pachete de baterii cu litiu pentru sisteme de stocare a energiei solare, dacă distanța dintre miez și peretele interior al carcasei depășește standardul, electrodul negativ va umple mai întâi golurile din jur atunci când se extinde, amplificând și mai mult efectul de deformare verticală.

Abaterile de control al procesului în timpul procesului de producție pot, de asemenea, induce sau exacerba probleme de deformare. Dacă distanța dintre placa de acoperire și carcasă depășește 0,2 mm în timpul procesului de asamblare, stresul termic în timpul sudării se va suprapune cu efectul de deplasare a golului, ducând direct la deformare; Dacă gradul de vid este setat prea scăzut (sub -90kPa) în timpul etapei de etanșare, presiunea atmosferică externă va acționa direct asupra părților slabe ale carcasei, provocând deformarea prin compresie pasivă.

Pe baza mecanismului de deformare de mai sus și a practicii tehnice din industrie, un sistem de prevenire și control poate fi construit din dimensiuni precum optimizarea materialelor, îmbunătățirea procesului, controlul intern al presiunii și consolidarea procesului. În ceea ce privește optimizarea materialului și structural, ideea de bază este de a îmbunătăți capacitatea portantă a carcasei, care poate fi obținută prin utilizarea aliajului de aluminiu 5052 cu o creștere de 30% a rezistenței la tracțiune, adăugând nervuri de armătură înalte de 0,5-1,0 mm în zona de acoperire superioară și creșterea grosimii carcasei de litiu a sistemului solar I Homethium. 0,8-1,0 mm. În același timp, este adoptată o structură de sudare compozită care combină sudarea cu laser și sudarea cu ultrasunete pentru a reduce aportul de căldură într-un singur punct și pentru a îmbunătăți stabilitatea zonei de sudare.

Îmbunătățirea procesului de sudare trebuie să se concentreze pe controlul fin, folosind strategia de sudare în gradient, adică o combinație de parametri de 200W/30mm/s pentru secțiunea de pornire, 250W/25mm/s pentru secțiunea de mijloc și 180W pentru secțiunea de sfârșit, pentru a controla adâncimea zonei afectate de căldură în 0,5mm; În același timp, optimizați designul cordonului de sudură prin schimbarea cordonului de sudură continuu într-un mod de sudare segmentat, fiecare segment fiind de 5-8 mm și o zonă de eliberare a tensiunii de 2 mm rezervată. În același timp, măriți lățimea cordonului de sudură la 1,2 mm pentru a spori capacitatea portantă de sudură.

Controlul intern al presiunii trebuie să pornească de la două aspecte: compensarea expansiunii și suprimarea producției de gaz. În ceea ce privește designul structural, un strat tampon elastic cu o rată de compresie care depășește 50% poate fi instalat pe interiorul plăcii de acoperire a bateriilor solare cu litiu, lăsând 0,5-1,0 mm spațiu de expansiune pentru a atenua impactul presiunii cauzat de expansiunea negativă a electrodului; În ceea ce privește optimizarea sistemului chimic, adăugarea de 1-2% aditivi filmogen FEC în procesul de injectare poate suprima eficient deteriorarea anormală a filmului SEI, poate controla producția de gaz la încărcare completă în termen de 0,5 ml/Ah (monitorizat în timp real prin testarea cromatografiei în gaze) și poate reduce acumularea de presiune internă de la sursă.

Întărirea controlului procesului necesită utilizarea unei tehnologii inteligente, introducerea unui sistem de poziționare vizuală în procesul de asamblare pentru a controla precizia de poziționare în ± 0,05 mm. În același timp, modernizarea dispozitivului de sudură la un mod de strângere cu forță constantă asigură o forță de strângere de 20-30N cu fluctuații care nu depășesc 5%, reducând riscul de deformare cauzat de abaterea asamblarii. Adăugați o stație de testare a presiunii în etapa de separare chimică, care va alarma automat când presiunea detectată depășește 5kPa. În același timp, combinat cu detectarea cu raze X a ratei de deformare a carcasei, pragul va fi controlat cu 0,3% pentru a obține identificarea și controlul timpuriu al problemelor de deformare în bateria pentru sistemul de stocare a energiei cu ioni de litiu.

Trebuie remarcat faptul că prevenirea deformării și controlul carcasei ionilor de litiu pentru BESS este un proces de inginerie sistematic. Parametrii tehnici implicați în articol trebuie să fie combinați cu echipamente de producție specifice, modele de produse și scenarii de aplicare și optimizați și verificați prin experimente DOE înainte de implementare. Pentru produse cu scenarii de aplicare speciale, cum ar fiBaterii cu litiu-ion, este necesar să se ajusteze în continuare parametrii de prevenire și control pe baza caracteristicilor de temperatură și presiune ale mediului de aplicare pentru a asigura stabilitatea structurală a produsului pe întregul său ciclu de viață. În plus, prevenirea și controlul deformării celulei reîncărcabile cu ioni de litiu trebuie să țină cont și de schimbările termodinamice din timpul ciclurilor de încărcare și descărcare și să realizeze controlul calității pe parcursul întregului proces.