Güç ve enerji depolama batarya paketleri, hücrelerin seri ve paralel bağlanmasıyla monte edilir, ancak hücreler birbirleriyle doğrudan temas halinde değildir. Lityum-iyon hücreleri, şarj ve deşarj sırasında hacim genişlemesine maruz kalır, bu nedenle, mekanik stresi absorbe etmek için hücreler arasında tampon malzemelerinin düzenlenmesi gerekir. Şu anda, köpük malzemeleri hem dinamik tamponlama hem de statik destek gereksinimlerini karşılamak için yaygın olarak benimsenmektedir.
01 Lityum-iyon Pil Modüllerinde Şişme Olayı
Lityum-iyon piller, canlı bir şekilde "sallanan sandalye pilleri" olarak adlandırılır: potansiyel farkla yönlendirilen lityum iyonları, elektrik enerjisini depolamak ve serbest bırakmak için katotlar ve anotlar arasında ileri geri hareket eder.
Bununla birlikte, Li⁺'nin katot ve anot aktif malzemelerinin içine ve dışına eklenmesi ve deinterkalasyonu, aktif maddelerin hacim genişlemesine neden olur. Bu tür şişmeler iki kategoriye ayrılır: geri dönüşümlü şişme ve geri dönüşü olmayan şişme. Şarj-deşarj döngüleri arttıkça geri dönüşü olmayan şişme sürekli olarak birikir.
Hücre şişmesinin üç temel nedeni vardır: elektrokimyasal şişme, gaz oluşumu şişmesi ve sıcaklık etkileri.
Epoksi levhalar genellikle iki-tekerlekli elektrikli araçlarda kurşun-asit piller arasında tampon malzeme olarak kullanılır. Bununla birlikte, epoksi levhalar yüksek kırılganlık ve sıfır esnekliğe sahiptir ve hücre genleşme kuvvetini absorbe edemez. Bu nedenle, ultra-düşük maliyetlerine rağmen lityum-iyon pil paketleri için tampon malzemeleri olarak uygun değildirler.
Silikon-anot lityum-iyon piller, karbon-anot muadillerine kıyasla çok daha yüksek enerji yoğunluğu sağlar ve bu, pil enerji yoğunluğunu daha da artırmak için etkili bir yaklaşımı temsil eder. Ancak aşırı şişme oranları (100 döngüden sonra kalınlık %15 ila %30 artar) büyük-ölçekli ticari uygulamayı uzun süre engellemiştir.
02 Ana Tampon Malzeme Çeşitleri
Hücre şişmesi, pillerin tüm hizmet ömrü boyunca doğal bir özelliktir. Şişmenin yol açtığı olumsuz etkilerin azaltılması, pilin çevrim ömrünün uzatılması açısından kritik hale geliyor.
Geri dönüşü olmayan hücre şişmesinin yeterli şekilde tamponlanamaması, kapasite bozulmasını daha da hızlandıracaktır.
Lityum-iyon hücresi şişmesini yöneten dört temel kural:
Uzaysal dağılım: Merkezi bölgedeki genişleme kuvveti kenarlardakinden daha fazladır.
Kapasite korelasyonu: Daha büyük hücre kapasitesi, daha yüksek şişme oranına karşılık gelir (enerji depolama hücreleri genellikle büyük kapasiteye sahiptir).
Hücre kimyası: Üçlü hücreler LFP hücrelerine göre daha şiddetli şişer. NCM811 hücreleri %6-%8'lik bir şişme oranına ulaşırken, LFP hücreleri yalnızca %3-%5'e ulaşır. Genel olarak, daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip hücreler daha yüksek şişme oranları sergiler.
Döngü sayısı: Artan şarj-deşarj döngüleriyle birlikte geri dönüşü olmayan şişme birikir ve bu da genel olarak daha fazla hücre genişlemesine yol açar.
Bu nedenle tampon malzemeleri modüller için vazgeçilmez bileşenlerdir ve üç temel işleve hizmet eder: basınç dağıtımı, yer değiştirme dengelemesi, ısı yalıtımı ve alev geciktirme.
(1) Silikon Köpük
Baz silikon reçinenin yoğunluğu 1,17 g/cm³'tür; köpüklendikten sonra yoğunluk 0,16–0,20 g/cm³'e düşer. UL94-V0 dikey alev geciktiriciliğe ve düşük sıkıştırma ayarına ulaşır. Güçlü genleşme kuvvetine sahip yüksek kapasiteli enerji depolama modülleri için silikon köpük önerilir.
(2) EVA Köpük
EVA köpüğü terlik tabanı gibi günlük ürünlerde yaygın olarak görülmektedir. Kullanıcılar bunun bariz dezavantajını fark edebilirler: Topuk kısmı uzun süreli kullanımdan sonra kalıcı olarak düzleşmeye- uğrar, bu da EVA'nın yüksek sıkıştırma ayarına işaret eder. EVA köpüğü düşük-maliyetlidir ve çoğunlukla prizmatik hücre modülleri arasına uygulanır.
(3) CR Köpük
CR köpük, tam adı Kloropren Kauçuk Köpük, UL94 V-0 alev geciktirici sertifikasına ve RoHS çevre standartlarına uygundur. Özellikleri: Düşük yoğunluklu, hafif, düşük sertlik, yüksek sıkıştırılabilirlik, mükemmel ısı yalıtımı ve alev geciktirici, üstün esneklik ve uzun hizmet ömrü.
(4) PU Köpük
PU, poliüre ve değiştirilmiş poliüretan dahil olmak üzere sayısız mikro gözenek ve poliüretan reçine çerçevesinden oluşan kopolimerleri ifade eder. PU biraz daha düşük sıkıştırma esnekliği sağlar ve çoğunlukla kese hücre modülleri arasında kullanılır. Özellikler: gözenekli yapı, düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet, iyi geri tepme ve hava geçirgenliği, düşük histerezis kaybı, yüksek sıkıştırma yük oranı, iyi alev direnci ve termal yaşlanmaya, nem yaşlanmasına ve dinamik yorgunluğa karşı olağanüstü direnç.
(5) MPP Köpük
MPP, alt tabakanın içinde çok sayıda mikron-boyutlu kabarcıklar oluşturmak üzere temiz süperkritik karbon dioksit teknolojisiyle üretilen, gözenekli, köpüklü bir polipropilen (PP) malzemedir. MPP, RoHS ve REACH standartlarını karşılar ve yeni enerji endüstrisinde yaygın olarak uygulanır. Özellikler: hafif, yüksek mukavemetli, etkili darbe enerjisi emilimi, mükemmel alev geciktirici ve ısı direnci.
(6) Aerojel
Yukarıdaki malzemeler öncelikle hücre genleşme kuvvetini absorbe etmek için tasarlanmış elastik substratlardır. Aerojel, ısı yalıtımı ve alev geciktiriciliğe odaklanan, yaygın olarak benimsenen başka bir hücrelerarası malzemedir;-; aynı zamanda orta düzeyde tamponlama performansı sağlamak için iyi sıkıştırılabilirliğe sahiptir. Örneğin, 1P13S modülünde yaklaşık 200 kgf'lik bir yük altında, 2,0 mm kalınlığındaki aerojel levha yaklaşık 1,5 mm'ye kadar sıkışır.
Aerojel ısı yalıtım levhaları silika aerojel ve seramik elyaf alt tabakalardan yapılmış kompozit malzemelerdir. Düşük yoğunluklu, yüksek gözenekliliğe, yüksek sıcaklık direncine ve düşük termal iletkenliğe sahiptirler; bu da termal kaçak sırasında hücreler arasındaki ısı yayılımını etkili bir şekilde engeller.
