تحليل عميق لتصميم المكونات الهيكلية لبطاريات ليثيوم قذيفة مربعة

1 نظرة عامة على المكونات الهيكلية لخلايا البطارية المربعة

تلعب المكونات الهيكلية لخلايا البطارية المربعة دورًا حاسمًا في بطاريات الليثيوم. إنه يلعب بشكل رئيسي دورًا في نقل الطاقة ، وحمل الإلكتروليت ، وحماية السلامة ، وتثبيت ودعم البطاريات ، والمظهر الزخرفي. له تأثير مباشر على السلامة والختم وكفاءة الطاقة لبطاريات الليثيوم.

من منظور حصة السوق ، وفقًا للبيانات ذات الصلة ، فإن حجم السوق للمكونات الهيكلية للبطارية في الصين سيصل إلى 52.6 مليار يوان في عام 2024 ، وهو زيادة على أساس سنوي من 86. 2 ٪. من بينها ، احتلت المكونات الهيكلية للبطارية المربعة منذ فترة طويلة حصة السوق الرئيسية من المكونات الهيكلية ، والتي تمثل 90.7 ٪ ، في حين تمثل المكونات الهيكلية للبطارية الأسطوانية 9.3 ٪ فقط. ويرجع ذلك بشكل أساسي إلى التطور السريع لسوق مركبات الطاقة الجديد في الصين بدعم قوي من السياسات الوطنية ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في السعة الإنتاجية وعدد البطاريات لكل ترتيب من مؤسسات بطارية الطاقة. البطاريات المربعة أكثر ملاءمة لهذا الطلب على نطاق واسع.

عادة ما تتكون المكونات الهيكلية لخلايا بطارية القشرة المربعة من قذيفة ولوحة تغطية. إن تصنيع الصدفة بسيط نسبيًا ، وذلك باستخدام تقنية التمدد المستمر بشكل عام ، باستخدام قذائف الصلب أو الألومنيوم عمومًا ، مع قوة هيكلية عالية وقدرة قوية على مواجهة الأحمال الميكانيكية. عادة ما يكون تعقيد عملية التصنيع في لوحة الغلاف أعلى بكثير من تلك الموجودة في القشرة ، وتشمل وظائفها الرئيسية تثبيت/وظيفة الختم ، وظيفة التوصيل الحالية ، وظيفة تخفيف الضغط ، وظيفة حماية الصمامات ، وتقليل وظيفة التآكل الكهربائي. على سبيل المثال ، لحام الليزر الغطاء العلوي لقشرة الألومنيوم ، لف الخلايا البطارية العارية وتثبيتها ، وتحقيق تأثير الختم ؛ يتم لحام قطب الغطاء العلوي ، وقطعة محول ، وأذن خلية البطارية لضمان توصيل شحن خلية البطارية وتفريغ تيار ؛ عندما تعاني البطارية من خلل وزيادة ضغط الهواء الداخلي ، سيفتح صمام الانفجار المقاوم للانفجار على الغطاء العلوي لإطلاق الضغط وتقليل خطر الانفجار.

تلعب المكونات الهيكلية لخلايا بطارية Square Shell دورًا لا غنى عنه ومهمين في بطاريات الليثيوم ، وآفاق السوق الخاصة بهم واسعة بشكل متزايد مع تطوير مركبات الطاقة الجديدة وأسواق تخزين الطاقة.

2 أنواع ووظائف المكونات الهيكلية

(1) شل

تلعب الصدفة ، باعتبارها مكونًا مهمًا في بنية خلية بطارية القشرة المربعة ، دورًا مهمًا في تثبيت الحرارة وحمايتها وختمها وتبديدها. تعمل القشرة كحاجز بين المواد النشطة داخل خلية البطارية والبيئة الخارجية طوال دورة حياتها بالكامل ، مما يثبت النظام الكهروكيميائي الداخلي وضمان التركيب المستقر لخلية البطارية في بيئات مختلفة. فيما يتعلق بالحماية ، يمكن للقشرة أن تصمد أمام بعض الأحمال الميكانيكية لمنع التأثيرات الخارجية من إتلاف خلايا البطارية. تضمن وظيفة الختم أن المنحل بالكهرباء لا يتسرب ويحافظ على حالة العمل العادية للبطارية. في الوقت نفسه ، يمكن أن تساعد القشرة أيضًا في تبديد الحرارة ، وتبديد الحرارة الناتجة أثناء تشغيل البطارية ، وتحسين أمان وخدمة البطارية.

تشمل عملية إنتاج القشرة بشكل أساسي قطع المواد الخام ، والرسم العميق المستمر الدقة ، والقطع ، والتنظيف ، والتجفيف ، والاختبار. من بينها ، تقنية التمدد المستمر الدقة هي صعوبة في إنتاج الصدفة. في هذه العملية ، من الضروري ضمان توحيد سمك الجدار ومنع الكسر. بالمقارنة مع تشكيل الختم لمرة واحدة التقليدية ، يكون التمدد المستمر الدقة أكثر صعوبة ، وحواجزه الأساسية تقع في القوالب ومعدات التمدد. يمكن أن تضمن القوالب عالية الجودة ومعدات التمدد المتقدمة دقة الأبعاد واستقرار الأداء للقذيفة.

(2) لوحة الغلاف

تلعب لوحة الغلاف دورًا مهمًا في المكونات الهيكلية لخلايا بطارية القشرة المربعة ، مع وظائف مثل الاتصال والعزلة والختم والوقاية من الانفجار.

يقع غطاء الصلب في الجزء العلوي من لوحة الغطاء وله قوة عالية. لا يتم تشويهه بسهولة عندما يتعرض لقوى خارجية ويلعب دورًا في حماية ورقة الألمنيوم المقاومة للانفجار. وهو أيضًا مكون من اتصال الحزمة بين البطاريات. تقع حلقة الختم على الحافة الخارجية من لوحة الغطاء ، وتعزل الأجزاء المعدنية داخل الغطاء المركب من قذيفة الفولاذ البطارية ، مما يوفر عزلًا لمنع الدوائر القصيرة الداخلية في البطارية ، وأيضًا بمثابة ختم بعد إغلاق البطارية. تُستخدم مكونات إثبات الانفجار بشكل أساسي لتخفيف الضغط وتخفيف الضغط في حالة الحمل الزائد للبطارية ، لمنع الانفجارات الناجمة عن ارتفاع الضغط الداخلي للبطارية. وهي تتكون من حلقات العزل ، وألواح الألومنيوم المقاومة للانفجار ، وربط صفائح الألومنيوم. من بينها ، توجد ورقة الألومنيوم المقاومة للانفجار في منتصف لوحة الغطاء وهي المكون الأساسي الذي يحدد الضغط الحرج لانقطاع الدائرة وإطلاقه. عندما يصل الضغط الداخلي للبطارية إلى قيمة معينة ، فإنه ينفجر تلقائيًا ويطلق الضغط ، مما يضمن سلامة استخدام البطارية ؛ تقع ورقة الألمنيوم المتصل في أسفل لوحة الغطاء وهي متصلة بورقة الألومنيوم المقاومة للانفجار من خلال لحام الليزر. عندما تكون البطارية في حالة خطيرة ، يتم فصلها عن ورقة الألمنيوم المقاومة للانفجار ؛ تقع حلقة العزل عند الاتصال بين ورقة الألومنيوم وورقة الألومنيوم المقاومة للانفجار ، حيث تلعب دورًا في العزلة والعزل.

تعد عملية إنتاج لوحات الغطاء أكثر تعقيدًا من تلك الموجودة في القذائف ، بما في ذلك قولبة الختم والحقن ، وفحص المكونات ، وطلاء الغراء ، وانغماس الإسفلت ، وتشكيل الحافة ، واللحام الموضعي ، وتجميع المكونات ، واللحام الموضعي ، وتجميع المنتجات النهائية ، والتفتيش ، والتخزين. تتضمن عملية الاختبار اختبار الضغط المقاوم للانفجار ، واختبار ختم الهيليوم ، واختبار المقاومة الداخلية ، واختبار المقاومة. الروابط الأكثر صعوبة في عملية الإنتاج هي 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 تثبيت القطب ، ولحام الليزر أثناء التجميع ، وما إلى ذلك.

(3) قطعة رابط وحدة البطارية

يلعب ارتباط وحدة البطارية دورًا مهمًا في وحدة البطارية. يعتمد في الغالب طريقة المواد المركبة متعددة الطبقات ، حيث تكون طبقة واحدة من المواد هي الطبقة المتصلة بين الموصل والقطب لضمان أداء اللحام. من خلال تكديس طبقات متعددة من المواد ، يمكن ضمان توصيل قطعة التوصيل. تتم معالجة ركيزة لوحة الاتصال وتشكلها عن طريق تكديس طبقات متعددة من الرقائق ، والتي يمكن أن تشكل مساحة مرنة للتعويض عن الإزاحة الناتجة عن توسيع قلب بطارية الطاقة وتقليل التأثير على واجهة القوة المنخفضة. تكون موصلات وحدات بطارية الطاقة بشكل عام مستطيلًا ، شبه منحرف ، مثلث ، على شكل منصة ، إلخ. يتم لصق سطح الاتصال مع {1}}. أثناء اللحام ، يكون السطح عرضة للأكسدة والتخفيض في درجات حرارة عالية ، ويلزم التلميع والتنظيف دون إتلاف الطلاء السطحي للمنتج.

3 تحليل حالة التصميم

(1) تصميم صمام إثبات الانفجار الجديد

في نوع جديد من بنية خلية البطارية المربعة ، يتم تعيين صمام الانفجار على الجانب الآخر من الأعمدة الإيجابية والسلبية ويواجه الأرض ، مما يجلب العديد من المزايا. أولاً ، من خلال هذا التصميم ، ليست هناك حاجة لحجز مساحة مقاومة للانفجار في الجزء العلوي من خلية البطارية ، مما يوفر بشكل كبير المساحة الداخلية لغلاف خلية البطارية. وفقًا لبيانات البحث ذات الصلة ، يمكن أن يزيد هذا التصميم من كثافة الطاقة الحجمية. ثانياً ، في التطبيقات العملية ، إذا فقد المنتج السيطرة بسبب ارتفاع درجة الحرارة ، فإن انفجار الصمام المضاد للانفجار لا يطرح أي ضرر لموظفي المقصورة والمقصورة للسائق ، مما يزيل المخاطر الشخصية بشكل فعال.

على سبيل المثال ، في التطبيقات العملية لمركبات الطاقة الجديدة ، يمكن أن يوفر هذا النوع الجديد من بنية خلية البطارية المربعة ضمانات أمان أعلى للسائقين والركاب.

(2) تصميم متكامل

في بعض حالات طرق التصنيع لهياكل خلايا بطارية القشرة المربعة ، تم تصميم الأطباق المبردة السائل ، وأشرطة البوس ، وأخذ العينات بطريقة متكاملة. هذا التصميم له مزايا كبيرة. من ناحية ، يمكن أن تقلل الألواح المبردة السائلة من درجة حرارة خلايا البطارية بسرعة ، مما يضمن أنها تعمل في نطاق درجة حرارة مناسبة ، وبالتالي تحسين أدائها وخدمتها. على سبيل المثال ، في الاختبار الفعلي ، يمكن لخلايا الصدفة المربعة التي تستخدم لوحات مبردة سائلة متكاملة خفض درجة حرارتها مقارنة بالتصميمات التقليدية تحت تشغيل الحمل العالي المستمر. من ناحية أخرى ، فإن التصميم المتكامل يقلل من عدد المكونات ، ويبسط عمليات التثبيت ، ويحسن كفاءة الإنتاج. وفي الوقت نفسه ، يمكن للتصميم المتكامل أيضًا أن يقلل من التكاليف الإجمالية ويعزز القدرة التنافسية في السوق للمنتجات.

(3) هيكل تجميع الأذن القطب الكامل

تصميم نابض البطاقة في بنية خلية بطارية أذن قشرة الأذن الكاملة فريدة من نوعها وبداية. يتكون نابض البطاقة من لوحة مسطحة أولى ولوحة مسطحة ثانية ، وله بنية على شكل V مصنوعة من مادة معدنية مرنة. هذا التصميم له مزايا كبيرة في توصيل الأذن القطب ولوحة الغلاف. أولاً ، يستخدم نابض البطاقة المرنة على شكل حرف V قوة الارتداد الخاصة به للضغط على كلا الجانبين على لوحة الغطاء وسطح الأذن القطب ، مما يحقق الغرض من الاتصال الكهربائي. تأثير القوة المرنة أكثر مواتية لتحسين التوصيل التلامس بين الواجهات. طالما وجود قوة مرنة ، توجد هذه الموصلية ، لذلك يمكن تجنب اتصال اللحام ، مما يقلل من صعوبة التجميع. ثانياً ، تعتمد المنطقة المستعرضة الموصلة لركبة البطاقة على المنطقة المستعرضة للاتصال بين اللوحة الأولى واللوحة الثانية ، والتي تكون أكبر مقارنةً بتوصيل المحولات التقليدية ونقاط اللحام.

(4) تصميم الهيكل الثابت

الهيكل الثابت لخلايا بطارية قذيفة مربعة وطريقة التصنيع لمباني الوحدة النمطية للبطارية لها قيمة عملية عالية. يتضمن هذا التصميم مزيجًا من هيكل البطارية ، وغطاء تثبيت البطارية ، وحزام التعبئة. تم تجهيز هيكل البطارية بفتحة تثبيت البطارية الأولى المتوافقة مع أسفل خلية بطارية القشرة المربعة ، والتي يمكن أن تشبك أسفل خلية البطارية المربعة بإحكام. تم تجهيز غطاء التثبيت العلوي للبطارية بأخدود ثانٍ لتثبيت البطارية المتوافق مع الجزء العلوي من خلية بطارية القشرة المربعة ، والتي تشبث الجزء العلوي من خلية بطارية القشرة المربعة بإحكام. أخيرًا ، يتم وضع شريط التغليف على هيكل البطارية وغطاء التثبيت العلوي للبطارية ، مما يشكل بنية تثبيت حزمة بطارية واحدة. بالإضافة إلى ذلك ، تم تجهيز مربع وحدة البطارية بمكونات مضادة للانزلاق ولوحة تثبيت القسم العلوي. يتضمن المكون المضاد للانزلاق القضبان المنزلق الموجود على جانبي الإسكان في وحدة البطارية والأضلاع التي تقع في الجزء السفلي من سكن وحدة البطارية ، والتي يمكن أن تحد من الهيكل الثابت لكل حزمة بطارية ومنعه من الهز. يمكن تفكيك لوحة تثبيت القسم العلوي وتوصيلها بالقشرة الخارجية لمربع وحدة البطارية ، والتي يمكن أن تشكل ضغطًا وتثبيتًا في الجزء العلوي من عدة هياكل تثبيت حزم البطارية. يعمل هذا التصميم على تحسين السلامة الثابتة لخلايا بطارية القشرة المربعة ويوفر ضمانًا موثوقًا لتطبيق صناديق بطارية تخزين الطاقة.

4 ملخص نقاط التصميم

يتطلب تصميم المكونات الهيكلية لخلايا البطارية المربعة العديد من النقاط الرئيسية ، والتي تلعب دورًا مهمًا في تحسين سلامة وأداء بطاريات الليثيوم.

(1) تصميم ميناء الحقن

يرتبط تصميم ميناء الحقن مباشرة بسلامة وخدمة البطارية. يتكون مسمار إغلاق ميناء الحقن المصمم من قبل CATL من جزء معدني وجزء مطاطي ، مع تداخل مناسب عند التلامس مع فتحة الحقن. يحتوي ثقب الحقن على عطلة ، والجزء المطاطي من مسمار الختم له نتوء يمكن أن يشارك في العطلة. يمكن أن يبرد هذا التصميم التجميع في درجات حرارة منخفضة ، مما يمنع بفعالية توليد نماذج وجزيئات المعادن ، وتحقيق ختم موثوق به لثقب الحقن. في الوقت نفسه ، يمكن أن يمنع الجزء المطاطي من السقوط والجزيئات المعدنية من السقوط في علبة البطارية ، مما يضمن أداء أمان البطارية. اعتماد بنية الختم الميكانيكية ، دون الحاجة إلى لحام الليزر ، فإن العملية بسيطة ويمكن أن تقلل بشكل كبير من التكاليف.

(2) تصميم القطب الإيجابي والسلبي

عادة ما يكون القطب الإيجابي من عمود الألمنيوم ، ويصنع القطب السلبي من القطب المركبة من الألمنيوم النحاسي ، والذي يلعب بشكل رئيسي دورًا في التوصيل الحالي. في البطارية ، يتم لحام قطب الغطاء العلوي ، وقطعة المحول ، وأذن الخلية وتوصيله لضمان استمرارية تيار الشحن والتفريغ للخلية ؛ في الوحدة النمطية ، يكون عمود الغطاء العلوي هو اللحام بالليزر وتم تثبيته على بوسار لتشكيل سلسلة/اتصال متوازي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي ربط قشرة الألمنيوم مباشرة والقطب الإيجابي إلى القضاء على الفرق المحتمل بين الاثنين ومنع تآكل قشرة الألمنيوم.

(3) زيادة مقاومة عمود القطب الإيجابي

المقاومة بين القطب الإيجابي وقذيفة الألومنيوم صغيرة جدًا ، على مستوى ميليوهم. عندما تحدث دائرة قصيرة في البطارية ، يكون تيار الدائرة مرتفعًا ، مما قد يتسبب بسهولة في الإشعال ويؤدي إلى حريق البطارية ، مما يشكل خطرًا كبيرًا على السلامة. في الوقت الحاضر ، تتم إضافة كربيد البلاستيك أو السيليكون الموصل عادةً بين الغطاء العلوي لقذيفة الألومنيوم والقطب الإيجابي للبطارية لزيادة مقاومة الموصلية بين قشرة الألمنيوم والقطب الإيجابي. صممت Ningde Times أيضًا من الثرمستور PTC بين القطب الموجب وورقة الغطاء العلوي ، والتي تستخدم خاصية تتغير مقاومتها مع درجة الحرارة لاستهلاك الطاقة الداخلية للبطارية بسرعة عند حدوث دائرة قصيرة خارجية في بطارية الطاقة ، وتجنب الصدمة الحرارية الناتجة عن الحرارة المفرطة على المقاوم. إنه لا يتجنب فقط مشكلة ذوبان المقاومات الصغيرة بسهولة ، ولكنه يتجنب أيضًا مشكلة إشعال البطارية أو ذوبان المقاومة الناجم عن ارتفاع درجة الحرارة.

(4) تصميم لوحات مقاومة للانفجار وتقليب

بشكل عام ، يتبنى الغطاء العلوي لبطاريات الفوسفات الحديد الليثيوم تصميم صمام مقاوم للانفجار واحد ، وضغط فتح الصمام المقاوم للانفجار عمومًا 0. 4 ~ 0. 8mpa. عندما يزداد الضغط الداخلي ويتجاوز ضغط فتح الصمام المقاوم للانفجار ، فإن صمام الانفجار المقاوم للانفجار سوف ينفجر من الشق ويفتح لتخفيف الضغط. بالإضافة إلى استخدام الصمامات المقاومة للانفجار ، تحتوي بطاريات النظام الثلاثية أيضًا على تصميم مزيج من لوحات SSD Flip. يكون ضغط فتح الصمام المضاد للانفجار وضغط التقليب من SSD عمومًا {{1 0}}. 75 ~ 1. 0 5mpa و 0.45 ~ 0.5mpa ، على التوالي. عندما يزداد الضغط الداخلي للبطارية إلى ضغط التقليب SSD ، ترفع قطعة التقليب ، مما يقطع التيار بسرعة. في الوقت نفسه ، يذوب فتيل قطعة اتصال الألومنيوم ، مما تسبب في أن الأعمدة الإيجابية والسلبية من الغطاء العلوي لدائرة قصيرة مباشرة ، وسرعان ما تقطع التيار.

تشمل نقاط تصميم المكونات الهيكلية لخلايا البطارية المربعة ختم ميناء الحقن ، وتصميم أعمدة القطب الإيجابية والسلبية ، وزيادة مقاومة عمود القطب الإيجابي ، وتصميم لوحات الانفجار المقاومة للانفجار. تعمل عناصر التصميم هذه معًا لتحسين سلامة وأداء بطاريات الليثيوم.