Zestawy akumulatorów zasilających i magazynujących energię są montowane poprzez szeregowe i równoległe połączenie ogniw, przy czym ogniwa nie stykają się ze sobą bezpośrednio. Ogniwa litowe-jonowe zwiększają swoją objętość podczas ładowania i rozładowywania, dlatego pomiędzy ogniwami muszą być rozmieszczone materiały buforowe, aby absorbować naprężenia mechaniczne. Obecnie powszechnie stosowane są materiały piankowe, które spełniają zarówno wymagania dotyczące dynamicznego buforowania, jak i statycznego wsparcia.
01 Zjawisko pęcznienia modułów baterii litowo-jonowych
Baterie litowe-jonowe są często nazywane „akumulatorami do foteli bujanych”: napędzane różnicą potencjałów jony litu przemieszczają się tam i z powrotem między katodami i anodami, przechowując i uwalniając energię elektryczną.
Niemniej jednak interkalacja i deinterkalacja Li⁺ do i z materiałów aktywnych katody i anody powoduje zwiększenie objętości substancji aktywnych. Taki obrzęk można podzielić na dwie kategorie: obrzęk odwracalny i obrzęk nieodwracalny. W miarę zwiększania się cykli ładowania-rozładowań stale gromadzi się nieodwracalne pęcznienie.
Istnieją trzy podstawowe przyczyny pęcznienia komórek: pęcznienie elektrochemiczne, pęcznienie spowodowane wytwarzaniem gazu i wpływ temperatury.
Płyty epoksydowe są powszechnie stosowane jako materiały buforowe pomiędzy akumulatorami-kwasowo-ołowiowymi w dwukołowych-pojazdach elektrycznych. Jednakże płyty epoksydowe charakteryzują się dużą kruchością i zerową sprężystością, nie absorbując siły rozszerzania się komórek. Dlatego nie nadają się jako materiały buforowe do akumulatorów litowo-jonowych, pomimo ich wyjątkowo-niskiego kosztu.
Baterie krzemowe-anodowo-litowe- zapewniają drastycznie wyższą gęstość energii w porównaniu z odpowiednikami z-anodami węglowymi, co stanowi skuteczne podejście do dalszego zwiększania gęstości energii baterii. Jednak ich nadmierne tempo pęcznienia (grubość wzrasta o 15–30% po 100 cyklach) od dawna utrudnia komercyjne zastosowanie na dużą-skalę.
02 Główne rodzaje materiałów buforowych
Pęcznienie ogniw jest cechą charakterystyczną przez cały okres użytkowania akumulatorów. Łagodzenie negatywnych skutków pęcznienia ma kluczowe znaczenie dla wydłużenia żywotności akumulatora.
Brak odpowiedniego buforowania nieodwracalnego pęcznienia komórek jeszcze bardziej przyspieszy spadek wydajności.
Cztery podstawowe zasady rządzące pęcznieniem ogniw litowo-jonowych:
Rozkład przestrzenny: Siła rozszerzalności w strefie środkowej jest większa niż na krawędziach.
Korelacja pojemności: Większa pojemność ogniwa odpowiada większej szybkości pęcznienia (ogniwa magazynujące energię zazwyczaj charakteryzują się dużą pojemnością).
Chemia komórkowa: Komórki trójskładnikowe pęcznieją silniej niż komórki LFP. Komórki NCM811 osiągają stopień pęcznienia na poziomie 6–8%, podczas gdy komórki LFP osiągają jedynie 3–5%. Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa o większej gęstości energii wykazują większą szybkość pęcznienia.
Liczba cykli: nieodwracalne pęcznienie gromadzi się wraz ze wzrostem cykli ładowania-rozładowań, co prowadzi do większej ogólnej ekspansji komórek.
Materiały buforowe są zatem niezbędnymi komponentami modułów, spełniającymi trzy podstawowe funkcje: rozkład ciśnienia, kompensację przemieszczenia, izolację termiczną i zmniejszanie palności.
(1) Pianka silikonowa
Bazowa żywica silikonowa ma gęstość 1,17 g/cm3; po spienieniu gęstość spada do 0,16–0,20 g/cm3. Osiąga ognioodporność pionową UL94-V0 i niski stopień odkształcenia po ściskaniu. Pianka silikonowa jest zalecana do modułów magazynowania energii o dużej pojemności i dużej sile rozprężania.
(2) Pianka EVA
Pianka EVA jest szeroko stosowana w produktach codziennego użytku, takich jak podeszwy pantofli. Użytkownicy mogą zauważyć jego oczywistą wadę: część piętowa ulega trwałemu spłaszczeniu po-długim użytkowaniu, co wskazuje na wysoki stopień kompresji pianki EVA. Pianka EVA jest tania-i stosowana głównie pomiędzy modułami ogniw pryzmatycznych.
(3) Pianka CR
Pianka CR, pełna nazwa Pianka z gumy chloroprenowej, jest zgodna z certyfikatem trudnopalności UL94 V-0 i normami środowiskowymi RoHS. Cechy: niska gęstość, lekkość, niska twardość, wysoka ściśliwość, doskonała izolacja termiczna i ognioodporność, doskonała sprężystość i długa żywotność.
(4) Pianka PU
PU odnosi się do kopolimerów składających się z niezliczonych mikro-porów i szkieletu z żywicy poliuretanowej, w tym polimocznika i modyfikowanego poliuretanu. PU zapewnia nieco gorszą odporność na ściskanie i jest najczęściej stosowany pomiędzy modułami ogniw kieszeniowych. Cechy: porowata struktura, niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa, przyzwoite odbicie i przepuszczalność powietrza, niska strata histerezy, wysoki współczynnik obciążenia ściskającego, dobra ognioodporność i wyjątkowa odporność na starzenie termiczne, starzenie pod wpływem wilgoci i zmęczenie dynamiczne.
(5) Pianka MPP
MPP to porowaty spieniony polipropylen (PP) wytwarzany przy użyciu technologii czystego nadkrytycznego dwutlenku węgla w celu wytworzenia licznych pęcherzyków-wielkości mikronów wewnątrz podłoża. MPP spełnia standardy RoHS i REACH i jest szeroko stosowany w nowym przemyśle energetycznym. Cechy: lekkość, wysoka wytrzymałość, efektywne pochłanianie energii uderzenia, doskonała ognioodporność i odporność na ciepło.
(6) Aerożel
Powyższe materiały są podłożami elastycznymi, zaprojektowanymi głównie w celu pochłaniania siły ekspansji komórek. Aerożel to kolejny powszechnie stosowany-materiał międzykomórkowy, skupiający się na izolacji termicznej i zmniejszaniu palności; posiada również przyzwoitą ściśliwość, aby zapewnić umiarkowaną wydajność buforowania. Na przykład pod obciążeniem około 200 kgf na module 1P13S arkusz aerożelu o grubości 2,0 mm ściska się do około 1,5 mm.
Aerożelowe arkusze termoizolacyjne to materiały kompozytowe wykonane z aerożelu krzemionkowego i podłoży z włókien ceramicznych. Charakteryzują się niską gęstością, dużą porowatością, odpornością na wysoką temperaturę i niską przewodnością cieplną, co skutecznie blokuje rozprzestrzenianie się ciepła pomiędzy ogniwami podczas niekontrolowanej temperatury.
