Disseny i anàlisi de components estructurals de cèl·lules prismàtiques

一. Visió general dels components estructurals de les cèl·lules prismàtiques
Els components estructurals de cèl·lules prismàtiques tenen un paper crucial en les bateries de liti. Serveixen principalment funcions com la transmissió d’energia, la contenció d’electròlits, la protecció de seguretat, el suport i la fixació de la bateria i la decoració exterior. Aquests components afecten directament la seguretat, el rendiment de segellat i l’eficiència d’utilització d’energia de les bateries de liti.

Segons les dades rellevants, la mida del mercat dels components estructurals de la bateria de liti a la Xina va arribar als 33.800 milions de iuans el 2022, representant un creixement interanual del 93,2%. Entre ells, els components estructurals de la bateria prismàtica han ocupat durant molt de temps la majoria del mercat de components estructurals, amb una quota de mercat fins al 90,7%, mentre que els components estructurals de la bateria cilíndrica només representen el 9,3%. Aquest domini es deu principalment al ràpid desenvolupament del nou mercat de vehicles energètics de la Xina, impulsat per un fort suport de polítiques governamentals. La capacitat de producció dels fabricants de bateries i el nombre de cèl·lules per ordre han augmentat significativament, i les bateries prismàtiques s’adapten millor a les exigències de la producció a gran escala.

Els components estructurals de cèl·lules prismàtiques solen estar compostos per una closca i una placa de cobertura. El procés de fabricació de shell és relativament senzill, utilitzant principalment processos de dibuix profund continu i generalment està fabricat en acer o alumini. Ofereix una gran resistència estructural i una forta resistència a les càrregues mecàniques. En canvi, el procés de fabricació de la placa de cobertura sol ser molt més complex que el de la closca. Les seves funcions principals inclouen la fixació/segellat, la conducció de corrent, l’alleujament de la pressió, la protecció del fusible i la reducció de la corrosió elèctrica. Per exemple, la coberta superior està elaborada amb làser a la closca d'alumini per encapsular i assegurar la cèl·lula nua alhora que s'assegura una estructura segellada. Els terminals de la coberta superior, les barres de bus i les pestanyes de cèl·lules es solden per assegurar la conducció de corrent de càrrega i descàrrega adequada. Quan la bateria es troba amb una situació anormal i augmenta la pressió interna, la vàlvula de seguretat de la coberta superior s’obre per alliberar pressió, reduint el risc d’explosió.

Els components estructurals de cèl·lules prismàtiques tenen un paper indispensable en les bateries de liti, i les seves perspectives de mercat són cada cop més àmplies amb el desenvolupament dels nous mercats d’energia de vehicles i energia.

2. Tipus i funcions de components estructurals

(a) Closca
Com a component crucial dels components estructurals de cèl·lules prismàtiques, la closca té papers clau en la fixació, la protecció, el segellat i la dissipació de calor. Serveix com a barrera entre els materials actius dins de la cèl·lula i l’ambient extern durant tot el seu cicle de vida, proporcionant estabilitat estructural al sistema electroquímic intern i garantint que la cèl·lula mantingui una estructura estable en diverses condicions.

En termes de protecció, la closca pot suportar algunes càrregues mecàniques, evitant que els impactes externs danyin la cèl·lula. La seva funció de segellat garanteix que l'electròlit no es filtri, mantenint l'estat de funcionament normal de la bateria. A més, la closca ajuda a la dissipació de calor alliberant la calor generada durant el funcionament de la bateria, millorant així la seguretat de la bateria i ampliant la seva vida útil.

El procés de producció de la closca inclou principalment un tall de matèries primeres, un dibuix profund de precisió continu, tallant, neteja, assecat i inspecció. Entre aquests, la tecnologia de dibuix profund de precisió continu és l’aspecte més difícil de la producció de closques. Durant aquest procés, és fonamental assegurar el gruix de la paret uniforme i prevenir fractures.

En comparació amb l’estampació convencional d’un sol pas, el dibuix profund continu de precisió és més difícil. Les seves barreres bàsiques es troben en els motlles i els equips de dibuix. Els motlles d’alta qualitat i els equips avançats de dibuix són fonamentals per garantir la precisió dimensional i l’estabilitat del rendiment de la closca.

(b) Placa de cobertura
La placa de cobertura té un paper crucial en els components estructurals de cèl·lules prismàtiques, proporcionant funcions com la connexió, l’aïllament, el segellat i la protecció d’explosions.

La tapa d’acer es troba a la part superior de la placa de coberta i té una gran resistència, cosa que la fa resistent a la deformació sota forces externes. Serveix per protegir la làmina d’alumini a prova d’explosió i també és un component per connectar bateries al paquet. L’anell de segellat es troba a la vora més exterior de la placa de coberta, aïllant les parts metàl·liques internes de la tapa combinada de la closca d’acer de la bateria. Proporciona aïllament per evitar els curtcircuits interns i també garanteix el segellat un cop segellada la bateria.

El component a prova d’explosió s’utilitza principalment per a l’alleujament d’energia i l’alleujament de la pressió durant la sobrecàrrega de la bateria per evitar una explosió causada per una pressió interna excessiva. Consisteix en un anell d’aïllament, una làmina d’alumini a prova d’explosió i una làmina d’alumini. La làmina d'alumini a prova d'explosió es troba al centre de la placa de coberta i és el component central que determina el tall de circuit i l'alliberament de la pressió crítica. Quan la pressió interna de la bateria arriba a un cert valor, esclata automàticament per alliberar pressió, garantint la seguretat de la bateria. La làmina d'alumini de connexió es troba a la part inferior de la placa de coberta i està connectada a la làmina d'alumini a prova d'explosió mitjançant soldadura làser. En cas de situació perillosa, es desconnecta de la làmina d'alumini a prova d'explosió. L’anell d’aïllament es troba a la connexió entre la làmina d’alumini de connexió i la làmina d’alumini a prova d’explosió, proporcionant aïllament i aïllament.

El procés de producció de la placa de cobertura és més complex que el de la closca i inclou principalment el modelat d’estampació i injecció, inspecció de components, enganxat, immersió d’asfalt, embolcall i conformació de la vora, soldadura puntual, muntatge de components, soldadura puntual, muntatge final i inspecció abans de l’emmagatzematge. Les etapes de prova inclouen proves de pressió a prova d’explosió, proves de fuites d’heli, proves de resistència interna i proves de resistència. Les etapes més difícils del procés de producció són les peces d’estampació i soldadura, incloent estampació de taps d’acer, estampació de fulles d’alumini a prova d’explosió, estampació de fulles d’alumini, estampació de anells de segellat, estampació d’aïllament, soldadura de fricció durant la instal·lació del terminal i soldadura làser durant l’assemblea.

(c) Placa de connexió del mòdul de la bateria

La placa de connexió del mòdul de la bateria té un paper important en la connexió dels components del mòdul de bateria de potència. Es fa principalment amb materials compostos de diverses capes, amb una capa que actua com a capa de connexió entre el connector i el terminal per assegurar un bon rendiment de soldadura. L’apilament de material multicapa garanteix la conductivitat elèctrica de la placa de connexió. Després de processar la placa base amb múltiples capes de làmina, forma una àrea flexible per compensar el desplaçament causat per l’expansió de la cèl·lula de la bateria d’alimentació, reduint l’impacte en les interfícies de baixa resistència. Els connectors dels mòduls de bateries de potència es troben generalment en formes rectangulars, trapezoïdals, triangulars o esglaonades. La superfície de connexió està recoberta de 0.

3. Anàlisi de casos de disseny

(a) Disseny de la nova vàlvula a prova d'explosions

En un nou tipus d’estructura cel·lular prismàtica, la vàlvula a prova d’explosió es situa al costat oposat dels elèctrodes positius i negatius, orientats al terra. Aquest disseny ofereix diversos avantatges. En primer lloc, amb aquest disseny, l’espai superior de la cèl·lula no necessita reservar espai per a la vàlvula a prova d’explosió, estalviant molt l’espai intern a la closca cel·lular. Segons les dades de recerca rellevants, aquest disseny pot augmentar la densitat d’energia volumètrica aproximadament [x]%. En segon lloc, en aplicacions pràctiques, si el producte experimenta un desbordament tèrmic a causa de la temperatura excessiva, la vàlvula a prova d’explosió es trencarà sense suposar un perill per a la cabina i els ocupants de la cabina, eliminant efectivament els riscos de seguretat personal.

Per exemple, en aplicacions pràctiques en vehicles energètics nous, aquesta nova estructura cel·lular prismàtica proporciona una major garantia de seguretat als passatgers.

(b) Disseny integrat
En alguns casos de fabricació de l'estructura de cèl·lules prismàtiques, la placa de refrigeració de líquids, la barra de bus i l'arnès de mostreig estan dissenyats de manera integrada. Aquest disseny té avantatges importants. D’una banda, la placa de refrigeració de líquid redueix ràpidament la temperatura de la cèl·lula, assegurant que la cèl·lula funciona dins d’un rang de temperatura òptim, millorant així el rendiment de les cèl·lules i la vida útil. Per exemple, en proves pràctiques, les cèl·lules prismàtiques amb plaques de refrigeració de líquids integrades van poder disminuir la seva temperatura per grau [x] en funcionament continu de gran càrrega en comparació amb els dissenys tradicionals. D'altra banda, el disseny integrat redueix el nombre de components, simplifica el procés de muntatge i millora l'eficiència de producció. Al mateix temps, el disseny integrat ajuda a reduir els costos generals i a millorar la competitivitat del mercat del producte.

(c) Estructura de muntatge de pestanyes completa
El disseny del clip de primavera a l'estructura cel·lular prismàtica de la pestanya completa és únic. El clip de primavera consisteix en una primera placa plana i una segona placa plana, formant una estructura en forma de V feta de metall elàstic. Aquest disseny té avantatges importants en la connexió de les pestanyes i la placa de cobertura. En primer lloc, el clip de molla en forma de V elàstic utilitza la seva pròpia força de rebot per pressionar tant contra la placa de coberta com les superfícies de la pestanya, aconseguint una connexió elèctrica. La força elàstica també millora la conductivitat de contacte entre les interfícies. Mentre existeixi la força elàstica, es mantindrà la conductivitat, eliminant la necessitat de connexions soldades i reduint la dificultat de muntatge. En segon lloc, l’àrea transversal conductora del clip de molla depèn de l’àrea de secció transversal de la connexió entre les primeres i la segona placa plana, que és més gran que la connexió formada per barres i soldadures convencionals. Per exemple, en proves pràctiques, les cèl·lules prismàtiques connectades amb clips de molla presentaven una capacitat de sobrecorrent més elevada que les que utilitzaven mètodes de soldadura tradicionals, millorant per [x]%.

(d) Disseny de l'estructura fixa
L’estructura fixa per a les cèl·lules prismàtiques i el mètode de fabricació de la carcassa del mòdul de la bateria tenen un alt valor pràctic. El disseny inclou la combinació del xassís de la bateria, la tapa fixa superior i les corretges d’embalatge. El xassís de la bateria té una primera ranura de fixació de la bateria que s’adapta al fons de la cèl·lula prismàtica, subjectant de forma segura la part inferior de la cel·la. La tapa fixa superior té una segona ranura de fixació de bateries que s’adapta a la part superior de la cèl·lula prismàtica, subjectant de forma segura la part superior de la cel·la. Finalment, la corretja d’embalatge s’adapta sobre el xassís de la bateria i la tapa fixa superior per formar una única estructura de fixació del paquet de bateries. A més, la carcassa del mòdul de la bateria està equipada amb components anti-lliscants i una placa de fixació de partició superior. Els components anti-parlants inclouen rails de guia a banda i banda de la closca interior de la carcassa del mòdul de la bateria i limiten les costelles a la part inferior de la carcassa, que ajuden a limitar la posició de cada paquet de bateries, evitant agitar. La placa de fixació de la partició superior es pot connectar de manera desproveïda a la closca exterior de la carcassa del mòdul de la bateria, prement i fixant la part superior de diversos paquets de bateries. Aquest disseny millora la seguretat de fixació de les cèl·lules prismàtiques i proporciona una protecció fiable per a les aplicacions de la caixa de bateries d’emmagatzematge d’energia.

4. Resum de punts clau de disseny

Els punts clau del disseny dels components estructurals de cèl·lules prismàtiques són nombrosos, i aquests punts tenen un paper crucial en la millora de la seguretat i el rendiment de les bateries de liti.

(a) Disseny de segellat del port d'injecció de líquids
El disseny de segellat del port d'injecció de líquid està directament relacionat amb la seguretat i la vida de la bateria. El connector de segellat del port d’injecció de líquid dissenyat per CATL consisteix en una part metàl·lica i una part de goma, amb una interferència en el punt de contacte amb el forat d’injecció. El forat d’injecció també presenta un escot i la part de goma del tap de segellat està dissenyada amb una protuberància que pot relacionar -se amb el recés. Aquest disseny permet un conjunt de refrigeració a baixes temperatures, evitant eficaçment la formació de burrs i partícules metàl·liques, assegurant un segellat fiable del port d’injecció líquid. Al mateix temps, la part de cautxú impedeix que les burles i partícules metàl·liques caiguin a la closca de la bateria, garantint la seguretat de la bateria. L’estructura mecànica de segellat no requereix soldadura làser, simplificant el procés i reduint significativament els costos.

(b) Disseny del terminal positiu i negatiu

El terminal positiu sol estar fabricat en alumini, mentre que el terminal negatiu està fabricat amb un compost compost de coure-alumini. La seva funció principal és conduir corrent. A la bateria, el terminal de cobertura superior, la barra de bus i les cèl·lules es solden junts per assegurar -se que el corrent passa per la cel·la per a la càrrega i la descàrrega. Al mòdul, el terminal de cobertura superior està elaborat amb làser i cargolat a la barra de bus, formant connexions en sèrie/paral·leles. Addicionalment, connectant directament la closca d'alumini i el terminal positiu pot eliminar la diferència de potencial entre tots dos, evitant la corrosió de la closca d'alumini.

(c) Augment de la resistència terminal positiva
La resistència entre el terminal positiu i la closca d’alumini és molt petita, a nivell mil·liohm. Quan es produeix un curtcircuit, el corrent del bucle és gran i això pot provocar proves, cosa que pot provocar un incendi de la bateria, suposant un important perill de seguretat. Actualment, sovint s’afegeix plàstic conductor o carbur de silici entre la placa superior de la closca d’alumini i el terminal positiu per augmentar la resistència conductora entre la closca d’alumini i el terminal positiu. CATL també ha dissenyat un termistor PTC entre el terminal positiu i la placa superior de la coberta. Utilitzant la característica del termistor de canviar la resistència amb la temperatura, el termistor PTC pot consumir ràpidament energia interna quan la bateria de potència experimenta un curtcircuit extern, evitant que el xoc tèrmic tingui calor excessiva a la resistència. Això elimina el problema de baixa resistència que provoca fusió alhora que evita problemes com el foc de la bateria o la resistència a la temperatura excessiva.

(d) Disseny de plaques a prova d'explosió i reversió
Generalment, la coberta superior de les bateries de fosfat de ferro de liti utilitza una sola vàlvula a prova d’explosió, amb una pressió d’obertura de 0. 4 0. 8 MPa. Quan la pressió interna augmenta i supera la pressió d'obertura de la vàlvula a prova d'explosió, la vàlvula es trencarà a la osca i s'obrirà a la pressió d'alliberament. Per als sistemes de bateries ternàries, a més de la vàlvula a prova d’explosió, també s’utilitza un disseny de combinació de plaques de reversió SSD. La pressió d'obertura de la vàlvula a prova d'explosió i la pressió de reversió de la placa SSD són normalment {{1 0}}. 751,05 MPa i 0,45 ~ 0,5 MPa, respectivament. Quan la pressió interna de la bateria augmenta a la pressió de reversió de la SSD, la placa de reversió es pressiona cap amunt, tallant ràpidament el corrent. Simultàniament, el fusible de la placa de connexió d’alumini bufa, provocant un curtcircuit directe entre els terminals positius i negatius de la coberta superior, tallant ràpidament el corrent.

Els punts clau de disseny dels components estructurals de cèl·lules prismàtiques cobreixen diversos aspectes, incloent el segellat del port d'injecció de líquids, el disseny del terminal positiu i negatiu, l'augment de la resistència al terminal positiva i el disseny de plaques a prova d'explosió i reversió. Aquests elements de disseny treballen conjuntament per millorar la seguretat i el rendiment de les bateries de liti, proporcionant un suport tècnic sòlid per al desenvolupament dels nous mercats d’emmagatzematge de vehicles i energia energètics.