تصميم وتحليل المكونات الهيكلية للخلايا المنشورية

一. نظرة عامة على المكونات الهيكلية للخلايا المنشورية
تلعب المكونات الهيكلية للخلايا المنشورية دورًا حاسمًا في بطاريات الليثيوم. وهي تخدم وظائف في المقام الأول مثل انتقال الطاقة ، واحتواء الإلكتروليت ، وحماية السلامة ، ودعم البطارية والتثبيت ، والزينة الخارجية. تؤثر هذه المكونات بشكل مباشر على السلامة وأداء الختم وكفاءة استخدام الطاقة لبطاريات الليثيوم.

وفقًا للبيانات ذات الصلة ، بلغ حجم السوق للمكونات الهيكلية للبطارية الليثيوم في الصين 33.8 مليار يوان في عام 2022 ، وهو ما يمثل نموًا على أساس سنوي قدره 93.2 ٪. من بينها ، احتلت المكونات الهيكلية للبطارية المنشورية غالبية سوق المكونات الهيكلية ، حيث تصل إلى 90.7 ٪ ، في حين تمثل المكونات الهيكلية للبطارية الأسطوانية 9.3 ٪ فقط. ويرجع ذلك الهيمنة بشكل أساسي إلى التطور السريع لسوق مركبات الطاقة الجديد في الصين ، مدفوعًا بدعم قوي من السياسة الحكومية. زادت القدرة الإنتاجية لمصنعي البطاريات وعدد الخلايا لكل ترتيب بشكل كبير ، وتكون البطاريات المنشورية أكثر ملاءمة لتلبية متطلبات الإنتاج على نطاق واسع.

عادة ما تتكون المكونات الهيكلية للخلايا المنشورية من قذيفة ولوحة تغطية. عملية تصنيع shell بسيطة نسبيا ، وذلك في المقام الأول باستخدام عمليات الرسم العميقة المستمرة ، وهي مصنوعة بشكل عام من الصلب أو الألومنيوم. ويوفر قوة هيكلية عالية ومقاومة قوية للأحمال الميكانيكية. في المقابل ، عادة ما تكون عملية تصنيع لوحة الغطاء أكثر تعقيدًا من عملية الصدفة. وتشمل وظائفها الرئيسية إصلاح/ختم ، التوصيل الحالي ، تخفيف الضغط ، حماية الصمامات ، وتقليل التآكل الكهربائي. على سبيل المثال ، الغطاء العلوي هو ملطخ بالليزر لقذيفة الألومنيوم لتغليف وتأمين الخلية العارية مع ضمان وجود بنية مختومة. يتم لحام أطراف الغلاف العلوي ، وأشرطة البوس ، وعلامات التبويب الخلايا لضمان توصيل الحالي للشحن والتفريغ الحالي. عندما تواجه البطارية موقفًا غير طبيعي وزيادة الضغط الداخلي ، يفتح صمام أمان الغطاء العلوي لإطلاق الضغط ، مما يقلل من خطر الانفجار.

تلعب المكونات الهيكلية للخلايا المنشورية دورًا لا غنى عنه في بطاريات الليثيوم ، وأصبحت آفاق السوق واسعة بشكل متزايد مع تطوير أسواق تخزين الطاقة الجديدة والطاقة.

2. أنواع ووظائف المكونات الهيكلية

(أ) شل
كمكون حاسم من المكونات الهيكلية للخلايا المنشورية ، تلعب القشرة أدوارًا رئيسية في التثبيت والحماية والختم وتبديد الحرارة. إنه بمثابة حاجز بين المواد النشطة داخل الخلية والبيئة الخارجية طوال دورة حياتها بأكملها ، مما يوفر الاستقرار الهيكلي للنظام الكهروكيميائي الداخلي وضمان الحفاظ على بنية مستقرة في ظل ظروف مختلفة.

من حيث الحماية ، يمكن للقشرة أن تصمد أمام بعض الأحمال الميكانيكية ، مما يمنع التأثيرات الخارجية من إتلاف الخلية. تضمن وظيفة الختم الخاصة بها أن المنحل بالكهرباء لا يتسرب ، مع الحفاظ على حالة التشغيل العادية للبطارية. بالإضافة إلى ذلك ، تساعد القشرة في تبديد الحرارة عن طريق إطلاق الحرارة المتولدة أثناء تشغيل البطارية ، وبالتالي تعزيز سلامة البطارية وتوسيع عمرها.

تشمل عملية إنتاج القشرة بشكل رئيسي انقراض المواد الخام ، الرسم العميق المستمر الدقة ، القطع ، التنظيف ، التجفيف ، والتفتيش. من بين هذه ، تعتبر تقنية الرسم العميق المستمر الدقة هي الجانب الأكثر تحديا لإنتاج الصدفة. خلال هذه العملية ، من الضروري ضمان سمك الجدار الموحد ومنع الكسور.

بالمقارنة مع ختم خطوة واحدة التقليدية ، فإن الرسم العميق المستمر الدقة أكثر صعوبة. تقع حواجزها الأساسية في القوالب ومعدات الرسم. تعتبر القوالب عالية الجودة ومعدات الرسم المتقدمة ضرورية لضمان دقة الأبعاد واستقرار الأداء للقذيفة.

(ب) لوحة الغلاف
تلعب لوحة الغلاف دورًا مهمًا في المكونات الهيكلية للخلايا المنشورية ، مما يوفر وظائف مثل الاتصال والعزلة والختم وحماية الانفجار.

يقع الغطاء الفولاذي في الجزء العلوي من لوحة الغطاء وله قوة عالية ، مما يجعله مقاومًا للتشوه تحت القوى الخارجية. إنه يعمل على حماية ورقة الألمنيوم المقاومة للانفجار ، وهو أيضًا مكون لتوصيل البطاريات في الحزمة. تقع حلقة الختم على الحافة الخارجية من لوحة الغطاء ، مع عزل الأجزاء المعدنية الداخلية من الغطاء المدمج من قشرة الفولاذ البطارية. يوفر العزل لمنع الدوائر القصيرة الداخلية ويضمن أيضًا الختم بعد إغلاق البطارية.

يستخدم المكون المقاوم للانفجار في المقام الأول لقطع الطاقة وتخفيف الضغط أثناء التحميل الزائد للبطارية لمنع الانفجار الناجم عن الضغط الداخلي المفرط. وهو يتألف من حلقة العزلة ، ورقة الألمنيوم المقاومة للانفجار ، وربط ورقة الألومنيوم. تقع ورقة الألمنيوم المقاومة للانفجار في منتصف لوحة الغطاء وهي المكون الأساسي الذي يحدد قطع الدائرة وإطلاق الضغط الحرج. عندما يصل الضغط الداخلي للبطارية إلى قيمة معينة ، ينفجر تلقائيًا لإطلاق الضغط ، مما يضمن سلامة البطارية. تقع ورقة الألمنيوم المتصلة في أسفل لوحة الغطاء وهي متصلة بورقة الألومنيوم المقاومة للانفجار عن طريق اللحام بالليزر. في حالة وجود موقف خطير ، ينفصل عن ورقة الألمنيوم المقاومة للانفجار. تقع حلقة العزل عند الاتصال بين ورقة الألمنيوم المتصل وورقة الألومنيوم المقاومة للانفجار ، مما يوفر العزلة والعزل.

تكون عملية إنتاج لوحة الغلاف أكثر تعقيدًا من تلك الموجودة في القشرة وتشمل بشكل أساسي صب الختم والحقن ، وفحص المكونات ، واللصق ، والانغماس في الإسفلت ، ولف الحافة ، واللحام الموضعي ، وتجميع المكونات ، واللحام الفوري ، والتجميع النهائي ، والتفتيش قبل التخزين. تشمل مراحل الاختبار اختبار ضغط الانفجار ، واختبار تسرب الهيليوم ، واختبار المقاومة الداخلية ، واختبار المقاومة. والمراحل الأكثر صعوبة في عملية الإنتاج هي أجزاء الختم واللحام ، بما في ذلك ختم الغطاء الصلب ، وختم ورقة الألمنيوم المقاومة للانفجار ، وربط ختم الألومنيوم ، وختم حلقة الختم ، وختم حلقة العزل ، ولحام الاحتكاك أثناء التثبيت الطرفي ، ولحام الليزر أثناء التجميع.

(ج) لوحة اتصال وحدة البطارية

تلعب لوحة اتصال وحدة البطارية دورًا مهمًا في توصيل مكونات وحدة بطارية الطاقة. يتم صنعه في الغالب باستخدام مواد مركبة متعددة الطبقات ، مع طبقة واحدة تعمل كطبقة توصيل بين الموصل والمحطة لضمان أداء لحام جيد. يضمن تكديس المواد متعددة الطبقات الموصلية الكهربائية لوحية الاتصال. بعد معالجة اللوحة الأساسية بطبقات متعددة من الرقائق ، تشكل مساحة مرنة للتعويض عن الإزاحة الناتجة عن توسيع خلية بطارية الطاقة ، مما يقلل من التأثير على واجهات منخفضة القوة. تكون الموصلات الخاصة بوحدات بطارية الطاقة بشكل عام في أشكال مستطيلة أو شبه منحرفة أو مثلثية أو متدنية. سطح الاتصال مطلي بـ 0. 4 مم إحباط النحاس المطلي بالنيكل ، وهو عرضة للأكسدة والتغير في درجات حرارة عالية أثناء اللحام ، مما يتطلب التلميع والتنظيف دون إتلاف الطلاء السطحي.

3. تحليل حالة التصميم

(أ) تصميم صمام مقاوم للانفجار الجديد

في نوع جديد من بنية الخلية المنشورية ، يتم وضع صمام مقاوم للانفجار على الجانب الآخر من الأقطاب الإيجابية والسلبية ، في مواجهة الأرض. يقدم هذا التصميم العديد من المزايا. أولاً ، مع هذا التصميم ، لا يحتاج المساحة العلوية للخلية إلى حجز مساحة لصمام الانفجار المقاوم للانفجار ، مما يوفر مساحة داخلية بشكل كبير في قشرة الخلية. وفقًا لبيانات البحث ذات الصلة ، يمكن أن يزيد هذا التصميم من كثافة الطاقة الحجمية بحوالي [x] ٪. ثانياً ، في التطبيقات العملية ، إذا كان المنتج يتعرض للهروب الحراري بسبب درجة الحرارة المفرطة ، فإن الصمام المقاوم للانفجار سوف يمتد دون أن يشكل خطرًا على ركاب قمرة القيادة والجلخ ، مما يزيل مخاطر السلامة الشخصية بشكل فعال.

على سبيل المثال ، في التطبيقات العملية في مركبات الطاقة الجديدة ، يوفر هيكل الخلايا المنشورية الجديدة هذا ضمانًا أعلى للسلامة للمسافرين.

(ب) التصميم المتكامل
في بعض حالات تصنيع بنية الخلايا المنشورية ، تم تصميم لوحة التبريد السائل ، بوسار ، وتسخير أخذ العينات بطريقة متكاملة. هذا التصميم له مزايا كبيرة. من ناحية ، تقلل لوحة التبريد السائل بسرعة من درجة حرارة الخلية ، مما يضمن أن الخلية تعمل في نطاق درجة الحرارة الأمثل ، وبالتالي تحسين أداء الخلايا وعمره. على سبيل المثال ، في الاختبارات العملية ، تمكنت الخلايا المنشورية ذات لوحات التبريد السائلة المتكاملة من خفض درجة حرارتها بدرجة [X] تحت تشغيل مستمر عالية التحميل مقارنة بالتصميمات التقليدية. من ناحية أخرى ، فإن التصميم المتكامل يقلل من عدد المكونات ، ويبسط عملية التجميع ، ويحسن كفاءة الإنتاج. في الوقت نفسه ، يساعد التصميم المتكامل في تقليل التكاليف الإجمالية ويعزز القدرة التنافسية في السوق للمنتج.

(ج) بنية تجميع علامات التبويب الكاملة
تصميم مقطع الربيع في بنية الخلية الكاملة Tab Prismatic فريدة من نوعها. يتكون مقطع الربيع من لوحة مسطحة أولى ولوحة مسطحة ثانية ، وتشكل بنية على شكل حرف V مصنوع من المعدن المرن. هذا التصميم له مزايا كبيرة في توصيل علامات التبويب ولوحة الغلاف. أولاً ، يستخدم مقطع الربيع المرن على شكل حرف V قوة الارتداد الخاصة به للضغط على كل من لوحة الغلاف وأسطح علامة التبويب ، مما يحقق اتصالًا كهربائيًا. تعمل القوة المرنة أيضًا على تحسين التوصيل التلامس بين الواجهات. طالما وجود القوة المرنة ، ستبقى الموصلية ، مما يلغي الحاجة إلى اتصالات ملحومة وتقليل صعوبة التجميع. ثانياً ، تعتمد المنطقة المستعرضة الموصلة لمقطع الربيع على المنطقة المستعرضة للاتصال بين اللوحات المسطحة الأولى والثانية ، والتي هي أكبر من الاتصال الذي يتكون من خلال الأشرار التقليدية واللحامات. على سبيل المثال ، في الاختبارات العملية ، أظهرت الخلايا المنشورية المرتبطة بمقاطع الربيع قدرة أعلى من التيار من أولئك الذين يستخدمون طرق اللحام التقليدية ، وتحسن بنسبة [x] ٪.

(د) تصميم الهيكل الثابت
الهيكل الثابت للخلايا المنشورية وطريقة تصنيع غلاف وحدة البطارية لها قيمة عملية عالية. يتضمن التصميم مزيجًا من هيكل البطارية ، والغطاء الثابت العلوي ، وأشرطة التعبئة. يحتوي هيكل البطارية على فتحة تثبيت البطارية الأولى التي تتكيف مع أسفل الخلية المنشورية ، مما يثبت بشكل آمن أسفل الخلية. يحتوي الجزء العلوي من الغطاء الثابت على فتحة تثبيت بطارية ثانية تتكيف مع الجزء العلوي من الخلية المنشورية ، مما يثبت بشكل آمن الجزء العلوي من الخلية. أخيرًا ، يتم تركيب حزام التعبئة على هيكل البطارية والغطاء الأعلى الثابتة لتشكيل بنية تثبيت حزمة بطارية واحدة. بالإضافة إلى ذلك ، تم تجهيز غلاف وحدة البطارية بمكونات مضادة للانزلاق ولوحة تثبيت القسم العلوي. تتضمن المكونات المضادة للانزلاق قضبان توجيهية على جانبي القشرة الداخلية لغلاف وحدة البطارية وتقييد الأضلاع في أسفل الغلاف ، مما يساعد على الحد من موضع كل حزمة بطارية ، ومنع الهز. يمكن توصيل لوحة تثبيت القسم العلوي بشكل منفصل بالقشرة الخارجية لغلاف وحدة البطارية ، والضغط على قمم حزم البطارية المتعددة. يعمل هذا التصميم على تحسين سلامة تثبيت الخلايا المنشورية ويوفر حماية موثوقة لتطبيقات صندوق بطارية تخزين الطاقة.

4. تصميم النقاط الرئيسية

تعد النقاط الرئيسية للمكونات الهيكلية للخلايا المنشورية عديدة ، وهذه النقاط تلعب دورًا حاسمًا في تحسين سلامة وأداء بطاريات الليثيوم.

(أ) تصميم ميناء حقن السائل
يرتبط تصميم ميناء حقن السائل مباشرة بسلامة البطارية وعمرها. يتكون قابس ميناء الحقن السائل المصمم بواسطة CATL من جزء معدني وجزء مطاطي ، مع تداخل مناسب عند نقطة التلامس مع فتحة الحقن. يتميز ثقب الحقن أيضًا بعطلات ، ويتم تصميم الجزء المطاطي من قابس الختم مع نتوء يمكن أن يتعامل مع العطلة. يسمح هذا التصميم بتجميع التبريد في درجات حرارة منخفضة ، مما يمنع بشكل فعال تكوين أدوات وجزيئات المعادن ، مما يضمن ختم موثوق لميناء الحقن السائل. في الوقت نفسه ، يمنع الجزء المطاطي من السقوط والجزيئات المعدنية من السقوط في غلاف البطارية ، مما يضمن سلامة البطارية. لا يتطلب بنية الختم الميكانيكية لحام الليزر ، مما يؤدي إلى تبسيط العملية وخفض التكاليف بشكل كبير.

(ب) تصميم محطة إيجابية وسلبية

عادةً ما تكون المحطة الإيجابية مصنوعة من الألومنيوم ، في حين أن الطرف السلبي مصنوع من مركب النحاس الألومنيوم. وظيفتها الأساسية هي إجراء التيار. في البطارية ، يتم لحام طرف الغطاء العلوي ، وعلامات الجروح ، وعلامات التبويب الخلوية معًا لضمان تمرير التيار عبر الخلية لشحنها وتفريغها. في الوحدة النمطية ، تكون محطة الغطاء العلوية ملطخة بالليزر وتم تثبيتها إلى بوسار ، وتشكيل الاتصالات/الاتصالات المتوازية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي ربط قشرة الألمنيوم والمحطة الإيجابية مباشرة إلى القضاء على الفرق المحتمل بين الاثنين ، مما يمنع تآكل قذيفة الألومنيوم.

(ج) زيادة المقاومة الطرفية الإيجابية
المقاومة بين المحطة الإيجابية والقذيفة الألومنيوم صغيرة جدًا ، على مستوى Milliohm. عندما تحدث دائرة قصيرة ، يكون تيار الحلقة كبيرًا ، وقد يتسبب ذلك في إثارة ، مما قد يؤدي إلى حريق بطارية ، مما يشكل خطرًا كبيرًا على السلامة. في الوقت الحالي ، تتم إضافة كربيد البلاستيك أو السيليكون الموصل بين لوحة الغطاء العلوي لقشرة الألومنيوم والمحطة الإيجابية لزيادة المقاومة الموصلة بين قشرة الألومنيوم والمحطة الإيجابية. صممت CATL أيضًا من الثرمستور PTC بين المحطة الإيجابية ولوحة الغطاء العلوية. من خلال استخدام خاصية الثرمستور المتمثلة في تغيير المقاومة مع درجة الحرارة ، يمكن أن يستهلك الثرمستور PTC الطاقة الداخلية بسرعة عندما تعاني بطارية الطاقة من دائرة قصيرة خارجية ، مما يمنع الصدمة الحرارية من الحرارة المفرطة على المقاوم. هذا يلغي مسألة المقاومة المنخفضة التي تسبب الذوبان مع تجنب مشاكل مثل حريق البطارية أو ذوبان المقاوم بسبب درجة الحرارة المفرطة.

(د) تصميم لوحة الانفجار وانعكاس
بشكل عام ، يستخدم الغطاء العلوي لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم صمامًا مقاومًا للانفجار ، مع ضغط فتح {1}}. 4 0. 8 MPa. عندما يزداد الضغط الداخلي وتجاوز ضغط فتح الصمام المضاد للانفجار ، سيتم تمزق الصمام عند الشق ويفتح لإطلاق الضغط. بالنسبة لأنظمة البطارية الثلاثية ، بالإضافة إلى الصمام المقاوم للانفجار ، يتم استخدام تصميم مجموعة لوحات عكس SSD أيضًا. عادةً ما يكون ضغط فتح الصمام المضاد للانفجار وضغط الانعكاس في لوحة SSD {{1 0}}. 751.05 MPa و 0.45 ~ 0.5 MPa ، على التوالي. عندما يزداد الضغط الداخلي للبطارية إلى ضغط انعكاس SSD ، يتم دفع لوحة الانعكاس للأعلى ، وسرعان ما يقطع التيار. في نفس الوقت ، ضربات صمامات لوحة اتصال الألومنيوم ، مما تسبب في دائرة قصيرة مباشرة بين المحطات الإيجابية والسلبية للغطاء العلوي ، وسرعان ما يقطع التيار.

تغطي النقاط الرئيسية للتصميم للمكونات الهيكلية للخلايا المنشورية عدة جوانب ، بما في ذلك إغلاق ميناء حقن السائل ، وتصميم الطرفية الإيجابية والسلبية ، وزيادة المقاومة الطرفية الإيجابية ، وتصميم لوحات الانفجار المقاومة للانفجار. تعمل عناصر التصميم هذه معًا لتعزيز سلامة وأداء بطاريات الليثيوم ، مما يوفر الدعم الفني القوي لتطوير أسواق تخزين الطاقة والطاقة الجديدة.