Design og analyse af prismatiske cellestrukturelle komponenter

一. Oversigt over prismatiske cellestrukturelle komponenter
Prismatiske cellestrukturelle komponenter spiller en afgørende rolle i lithiumbatterier. De betjener primært funktioner såsom energi transmission, elektrolytindeslutning, sikkerhedsbeskyttelse, batterisupport og fiksering og udvendig dekoration. Disse komponenter påvirker direkte sikkerhed, tætningsydelse og energiudnyttelseseffektivitet af lithiumbatterier.

I henhold til relevante data nåede markedsstørrelsen af ​​lithiumbatteri-strukturelle komponenter i Kina 33,8 milliarder yuan i 2022, hvilket repræsenterede en vækst år til år på 93,2%. Blandt dem har Prismatic Battery -strukturelle komponenter længe besat størstedelen af ​​det strukturelle komponentmarked med en markedsandel så højt som 90,7%, mens cylindriske batterikonstruktionskomponenter kun tegner sig for 9,3%. Denne dominans skyldes hovedsageligt den hurtige udvikling af Kinas nye energikøretøjsmarked, drevet af stærk statspolitisk støtte. Produktionskapaciteten for batteriproducenter og antallet af celler pr. Ordre er steget markant, og prismatiske batterier er bedre egnet til at imødekomme kravene til storskala produktion.

Prismatiske cellestrukturelle komponenter er normalt sammensat af en skal og en dækplade. Shell -fremstillingsprocessen er relativt enkel, primært ved hjælp af kontinuerlige dybe tegneprocesser og er generelt lavet af stål eller aluminium. Det tilbyder høj strukturel styrke og stærk modstand mod mekaniske belastninger. I modsætning hertil er produktionsprocessen for dækpladen normalt langt mere kompleks end skallen. Dets hovedfunktioner inkluderer fastgørelse/forsegling, nuværende ledning, trykaflastning, sikringsbeskyttelse og reduktion af elektrisk korrosion. F.eks. Er det øverste dæksel laservejet til aluminiumskallen for at indkapsle og fastgøre den nakne celle, samtidig med at den sikres en forseglet struktur. Topdækkets terminaler, busbarer og cellefaner svejses for at sikre korrekt ladning og udskrivning af aktuelle ledning. Når batteriet støder på en unormal situation og internt tryk øges, åbnes topdækkets sikkerhedsventil for at frigive pres, hvilket reducerer risikoen for eksplosion.

Prismatiske cellestrukturelle komponenter spiller en uundværlig rolle i lithiumbatterier, og deres markedsudsigter bliver stadig mere brede med udviklingen af ​​det nye energikøretøj og energilagringsmarkeder.

2. typer og funktioner af strukturelle komponenter

(a) Shell
Som en afgørende komponent i prismatiske cellestrukturelle komponenter spiller skallen nøgleroller i fiksering, beskyttelse, forsegling og varmeafledning. Det fungerer som en barriere mellem de aktive materialer inde i cellen og det ydre miljø gennem hele sin livscyklus, hvilket giver strukturel stabilitet til det interne elektrokemiske system og sikrer, at cellen opretholder en stabil struktur under forskellige forhold.

Med hensyn til beskyttelse kan skallen modstå visse mekaniske belastninger og forhindre eksterne påvirkninger i at skade cellen. Dens tætningsfunktion sikrer, at elektrolytten ikke lækker, hvilket opretholder batteriets normale driftstilstand. Derudover hjælper skallen med varmeafledning ved at frigive varme, der genereres under batteridriften, og forbedrer derved batteriets sikkerhed og forlænger dens levetid.

Produktionsprocessen for skallen inkluderer hovedsageligt råmateriale, præcision kontinuerlig dyb tegning, skæring, rengøring, tørring og inspektion. Blandt disse er præcision kontinuerlig dyb tegningsteknologi det mest udfordrende aspekt ved skalproduktion. Under denne proces er det vigtigt at sikre ensartet vægtykkelse og forhindre brud.

Sammenlignet med konventionel enkelttrinsstempling er præcision kontinuerlig dyb tegning vanskeligere. Dens kernebarrierer ligger i formene og tegneudstyr. Forme af høj kvalitet og avanceret tegneudstyr er kritisk for at sikre dimensionel nøjagtighed og ydelsesstabilitet af skallen.

(b) Dækplade
Dækpladen spiller en afgørende rolle i prismatiske cellestrukturelle komponenter, der leverer funktioner såsom forbindelse, isolering, forsegling og eksplosionsbeskyttelse.

Stålhætten er placeret øverst på dækpladen og har en høj styrke, hvilket gør den modstandsdygtig over for deformation under eksterne kræfter. Det tjener til at beskytte det eksplosionssikre aluminiumsark og er også en komponent til tilslutning af batterier i pakken. Forseglingsringen er placeret på den yderste kant af dækpladen, der isolerer de indvendige metaldele af den kombinerede hætte fra batteri -stålskallen. Det giver isolering for at forhindre interne kortslutninger og sikrer også forsegling, når batteriet er forseglet.

Den eksplosionssikre komponent bruges primært til strømafbrydelse og trykaflastning under overbelastning af batterier for at forhindre en eksplosion forårsaget af overdreven internt tryk. Det består af en isolationsring, eksplosionssikkert aluminiumsark og tilslutning af aluminiumsark. Det eksplosionssikre aluminiumsark er placeret midt på dækpladen og er kernekomponenten, der bestemmer kredsløbet og frigivelsen af ​​kritisk tryk. Når batteriets indre tryk når en bestemt værdi, brister det automatisk for at frigive tryk, hvilket sikrer batteriets sikkerhed. Det tilslutende aluminiumsark er placeret i bunden af ​​dækpladen og er forbundet til det eksplosionssikre aluminiumsark ved laser svejsning. I tilfælde af en farlig situation kobles det fra det eksplosionssikre aluminiumsark. Isoleringsringen er placeret ved forbindelsen mellem forbindelsesaluminiumsarket og det eksplosionssikre aluminiumsark, hvilket tilvejebringer isolering og isolering.

Produktionsprocessen for dækpladen er mere kompliceret end skallen og inkluderer hovedsageligt stempling og injektionsstøbning, komponentinspektion, limning, asfalt nedsænkning, kantindpakning og formning, plet svejsning, komponentmontering, plet svejsning, endelig samling og inspektion før opbevaring. Testfasen inkluderer eksplosionssikkert trykprøvning, helium lækage-test, intern resistenstest og resistenstest. De mere udfordrende stadier i produktionsprocessen er stemplings- og svejsedele, herunder stempling af stålhætter, eksplosionssikkert aluminiumsplade, tilslutning af aluminiumsplade, forseglingsringstempling, isoleringsringstempling, friktionsvejsning under terminal installation og laser svejsning under montering.

(c) Batterimodulforbindelsesplade

Batterimodulforbindelsespladen spiller en vigtig rolle i tilslutning af komponenterne i effektbatterimodulet. Det er for det meste fremstillet ved hjælp af flerlags kompositmaterialer, med et lag, der fungerer som forbindelseslaget mellem stikket og terminalen for at sikre god svejsestyring. Det flerlags materiale-stabling sikrer forbindelsespladens elektriske ledningsevne. Efter behandling af bundpladen med flere lag af folie, danner den et fleksibelt område for at kompensere for forskydning forårsaget af udvidelsen af ​​effektbatteriets celle, hvilket reducerer påvirkningen af ​​grænseflader med lav styrke. Connectors til effektbatterimoduler er generelt i rektangulære, trapezformede, trekantede eller trappede former. Forbindelsesoverfladen er belagt med 0. 1 mm tyk nikkelbelagt kobberfolie, som er tilbøjelig til oxidation og misfarvning ved høje temperaturer under svejsning, hvilket kræver polering og rengøring uden at skade overfladebelægningen.

3. Design Sagsanalyse

(a) Design af ny eksplosionssikre ventil

I en ny type prismatisk cellestruktur er den eksplosionssikre ventil placeret på den modsatte side af de positive og negative elektroder mod jorden. Dette design giver flere fordele. For det første behøver cellen med dette layout det øvre rum i cellen ikke at reservere plads til den eksplosionssikre ventil, hvilket i høj grad sparer det indre rum i celleskallen. I henhold til relevante forskningsdata kan dette design øge den volumetriske energitæthed med ca. [x]%. For det andet, i praktiske anvendelser, hvis produktet oplever termisk løb på grund af overdreven temperatur, vil den eksplosionssikre ventil sprænge uden at udgøre en fare for cockpit- og kabinebehandlere, hvilket effektivt eliminerer personlige sikkerhedsrisici.

I praktiske applikationer i nye energikøretøjer giver denne nye prismatiske cellestruktur for eksempel højere sikkerhedssikring for passagerer.

(b) Integreret design
I nogle tilfælde af prismatisk cellestrukturfremstilling er den væskeende kølingsplade, busbar og prøveudtagningssele designet på en integreret måde. Dette design har betydelige fordele. På den ene side reducerer væskekølepladen hurtigt celletemperaturen, hvilket sikrer, at cellen fungerer inden for et optimalt temperaturområde og forbedrer derved cellens ydeevne og levetid. I praktiske tests var prismatiske celler med integrerede væskekølingsplader for eksempel i stand til at sænke deres temperatur med [X] grad under kontinuerlig højbelastningsdrift sammenlignet med traditionelle design. På den anden side reducerer det integrerede design antallet af komponenter, forenkler monteringsprocessen og forbedrer produktionseffektiviteten. På samme tid hjælper det integrerede design med at reducere de samlede omkostninger og forbedrer produktets markedskonkurrenceevne.

(c) Fuld fanebladstruktur
Designet af fjederklippet i den fulde fane prismatiske cellestruktur er unik. Fjederklippet består af en første flad plade og en anden flad plade, der danner en V-formet struktur lavet af elastisk metal. Dette design har betydelige fordele ved at forbinde fanerne og dækpladen. For det første bruger den elastiske V-formede fjederklip sin egen reboundkraft til at presse mod både dækpladen og fanebladets overflader og opnå en elektrisk forbindelse. Den elastiske kraft forbedrer også kontaktledningsevnen mellem grænsefladerne. Så længe den elastiske kraft eksisterer, vil ledningsevnen forblive, hvilket eliminerer behovet for svejste forbindelser og reducerer monteringsbesvær. For det andet afhænger det ledende tværsnitsareal af fjederklippet af tværsnitsområdet for forbindelsen mellem de første og andet flade plader, som er større end forbindelsen dannet af konventionelle busbarer og svejsninger. I praktiske tests udviste prismatiske celler forbundet med fjederklip for eksempel en højere overstrømsevne end dem, der bruger traditionelle svejsemetoder, hvilket forbedres med [x]%.

(d) Fast struktur design
Den faste struktur for prismatiske celler og fremstillingsmetoden til batterimodulet har en høj praktisk værdi. Designet inkluderer kombinationen af ​​batterichassis, top fast hætte og pakningsstropper. Batterichassiset har et første batteri, der fikserer slot, der tilpasser sig til bunden af ​​den prismatiske celle, der sikkert klemmer bunden af ​​cellen. Den øverste faste hætte har et andet batteri, der fikserer slot, der tilpasser sig til toppen af ​​den prismatiske celle, der sikkert klemmer toppen af ​​cellen. Endelig monteres pakningsremmen over batterichassiset og den øverste faste hætte til at danne en enkelt batteripakkefikseringsstruktur. Derudover er batterimodulets hus udstyret med anti-slip-komponenter og en top partitionsfixeringsplade. Anti-slip-komponenterne inkluderer guideskinner på begge sider af den indre skal af batterimodulet for at kabinet og begrænse ribben i bunden af ​​huset, hvilket hjælper med at begrænse placeringen af ​​hver batteripakke, hvilket forhindrer ryster. Den øverste partitionsfixeringsplade kan aftages aftageligt tilsluttet den ydre skal af batterimodulet for at skille sig, tryk og fastgøre toppen af ​​flere batteripakker. Dette design forbedrer fikseringssikkerheden af ​​de prismatiske celler og giver pålidelig beskyttelse af energilagringsbatteri -applikationer.

4. design nøglepunkter resume

Designnøglepunkterne for prismatiske cellestrukturelle komponenter er adskillige, og disse punkter spiller en afgørende rolle i forbedring af lithiumbatteriers sikkerhed og ydeevne.

(a) Forseglingsdesign af flydende injektionsport
Forseglingsdesignet af den flydende injektionsport er direkte relateret til batteriets sikkerhed og levetid. Den flydende injektionsportforseglingsstik designet af CATL består af en metaldel og en gummidel, med en interferens, der passer til kontaktpunktet med injektionshullet. Injektionshullet har også en udsparing, og gummidelen af ​​tætningsstikket er designet med en fremspring, der kan engagere sig i udsparingen. Dette design giver mulighed for kølesamling ved lave temperaturer, hvilket effektivt forhindrer dannelsen af ​​metalburrs og partikler, hvilket sikrer pålidelig tætning af den flydende injektionsport. På samme tid forhindrer gummidelen metalburrs og partikler i at falde i batteri -skallen, hvilket sikrer batterisikkerhed. Den mekaniske tætningsstruktur kræver ikke lasersvejsning, forenkling af processen og reducering af omkostningerne markant.

(b) Positivt og negativt terminaldesign

Den positive terminal er normalt lavet af aluminium, mens den negative terminal er lavet af en kobber-aluminiumkomposit. Deres primære funktion er at føre strøm. I batteriet svejses den øverste dækningsterminal, busbar og cellefaner sammen for at sikre, at strømmen passerer gennem cellen til opladning og afladning. I modulet er den øverste dækningsterminal laser-svejset og boltet til busbaren og danner serie/parallelle forbindelser. Derudover kan direkte forbinde aluminiumskallen og den positive terminal eliminere potentialforskellen mellem de to, hvilket forhindrer korrosion af aluminiumsskal.

(c) Forøgelse af positiv terminal modstand
Modstanden mellem den positive terminal og aluminiumskal er meget lille på milliohm -niveau. Når der opstår en kortslutning, er loopstrømmen stor, og dette kan forårsage gnistning, hvilket kan føre til en batteribrand, hvilket udgør en betydelig sikkerhedsfare. I øjeblikket tilsættes ledende plast- eller siliciumcarbid ofte mellem aluminiumskallens øverste dækplade og den positive terminal for at øge den ledende modstand mellem aluminiumskal og den positive terminal. CATL har også designet en PTC -termistor mellem den positive terminal og den øverste dækplade. Ved at bruge termistorens karakteristik ved at ændre modstand med temperaturen kan PTC -termistoren hurtigt forbruge intern energi, når effektbatteriet oplever en ekstern kortslutning, hvilket forhindrer termisk stød fra overdreven varme på modstanden. Dette eliminerer spørgsmålet om lav modstand, der forårsager smeltning, samtidig med at man undgår problemer, såsom batteribrand eller modstandsmeltning på grund af overdreven temperatur.

(d) Eksplosionssikre og reverseringspladedesign
Generelt bruger det øverste dækning af lithiumjernphosphatbatterier en enkelt eksplosionssikker ventil med et åbningstryk på 0. 4 0. 8 MPa. Når det indre tryk øges og overstiger åbningstrykket for den eksplosionssikre ventil, sprænger ventilen ved hakket og åbnes for at frigive tryk. Til ternære batterisystemer bruges også ud over den eksplosionssikre ventil også en SSD-reverseringsplade-kombinationsdesign. Åbningstrykket for den eksplosionssikre ventil og reverseringstrykket for SSD-pladen er typisk {{1 0}}. 751,05 MPa og 0,45 ~ 0,5 MPa. Når batteriets indre tryk øges til SSD -reverseringstrykket, skubbes reverseringspladen opad og skærer hurtigt strømmen af. Samtidig blæser aluminiumsforbindelsespladen, hvilket forårsager en direkte kortslutning mellem de positive og negative terminaler på topdækslet, hvilket hurtigt afskærer strømmen.

Designnøglepunkterne for prismatiske cellestrukturelle komponenter dækker adskillige aspekter, herunder forsegling af flydende injektionsport, positiv og negativ terminal design, stigende positiv terminalresistens og design af eksplosionssikre og reverseringsplader. Disse designelementer arbejder sammen for at forbedre sikkerheden og ydelsen af ​​lithiumbatterier, hvilket giver solid teknisk support til udvikling af det nye energikøretøj og energilagringsmarkeder.