Desain dan Analisis Komponen Struktural Sel Prismatik

一. Tinjauan Komponen Struktural Sel Prismatik
Komponen struktural sel prismatik memainkan peran penting dalam baterai lithium. Mereka terutama melayani fungsi seperti transmisi energi, penahanan elektrolit, perlindungan keamanan, dukungan dan fiksasi baterai, dan dekorasi eksterior. Komponen -komponen ini secara langsung memengaruhi efisiensi keselamatan, penyegelan, dan efisiensi pemanfaatan energi baterai lithium.

Menurut data yang relevan, ukuran pasar komponen struktural baterai lithium di Cina mencapai 33,8 miliar yuan pada tahun 2022, mewakili pertumbuhan tahun-ke-tahun sebesar 93,2%. Di antara mereka, komponen struktural baterai prismatik telah lama menduduki sebagian besar pasar komponen struktural, dengan pangsa pasar setinggi 90,7%, sementara komponen struktural baterai silindris hanya menyumbang 9,3%. Dominasi ini terutama disebabkan oleh perkembangan cepat pasar kendaraan energi baru China, didorong oleh dukungan kebijakan pemerintah yang kuat. Kapasitas produksi produsen baterai dan jumlah sel per pesanan telah meningkat secara signifikan, dan baterai prismatik lebih cocok untuk memenuhi tuntutan produksi skala besar.

Komponen struktural sel prismatik biasanya terdiri dari cangkang dan pelat penutup. Proses pembuatan shell relatif sederhana, terutama menggunakan proses menggambar dalam kontinu, dan umumnya terbuat dari baja atau aluminium. Ini menawarkan kekuatan struktural yang tinggi dan ketahanan kuat terhadap beban mekanis. Sebaliknya, proses pembuatan pelat penutup biasanya jauh lebih kompleks daripada shell. Fungsi utamanya termasuk memperbaiki/menyegel, konduksi saat ini, bantuan tekanan, perlindungan sekering, dan mengurangi korosi listrik. Misalnya, penutup atas dilengkapi laser ke cangkang aluminium untuk merangkum dan mengamankan sel telanjang sambil memastikan struktur yang disegel. Terminal penutup atas, busbar, dan tab sel dilas untuk memastikan konduksi arus pengisian daya dan debit yang tepat. Ketika baterai menghadapi situasi abnormal dan tekanan internal meningkat, katup pengaman penutup atas terbuka untuk melepaskan tekanan, mengurangi risiko ledakan.

Komponen struktural sel prismatik memainkan peran yang sangat diperlukan dalam baterai lithium, dan prospek pasar mereka menjadi semakin luas dengan pengembangan kendaraan energi baru dan pasar penyimpanan energi.

2. Jenis dan Fungsi Komponen Struktural

(a) shell
Sebagai komponen penting dari komponen struktural sel prismatik, shell memainkan peran kunci dalam fiksasi, perlindungan, penyegelan, dan disipasi panas. Ini berfungsi sebagai penghalang antara bahan aktif di dalam sel dan lingkungan eksternal di seluruh siklus hidupnya, memberikan stabilitas struktural pada sistem elektrokimia internal dan memastikan sel mempertahankan struktur yang stabil di bawah berbagai kondisi.

Dalam hal perlindungan, shell dapat menahan beban mekanis tertentu, mencegah dampak eksternal merusak sel. Fungsi penyegelannya memastikan bahwa elektrolit tidak bocor, mempertahankan status operasi baterai yang normal. Selain itu, cangkang membantu disipasi panas dengan melepaskan panas yang dihasilkan selama operasi baterai, sehingga meningkatkan keselamatan baterai dan memperpanjang umurnya.

Proses produksi shell terutama mencakup celah bahan baku, gambar dalam yang dalam, pemotongan, pembersihan, pengeringan, dan inspeksi. Di antara ini, teknologi menggambar mendalam yang presisi adalah aspek yang paling menantang dari produksi shell. Selama proses ini, penting untuk memastikan ketebalan dinding yang seragam dan mencegah patah tulang.

Dibandingkan dengan stamping satu langkah konvensional, gambar dalam kontinu presisi lebih sulit. Hambatan intinya terletak pada cetakan dan peralatan menggambar. Cetakan berkualitas tinggi dan peralatan gambar canggih sangat penting untuk memastikan akurasi dimensi dan stabilitas kinerja shell.

(B) Pelat penutup
Pelat penutup memainkan peran penting dalam komponen struktural sel prismatik, menyediakan fungsi seperti koneksi, isolasi, penyegelan, dan perlindungan ledakan.

Tutup baja terletak di bagian atas pelat penutup dan memiliki kekuatan tinggi, membuatnya tahan terhadap deformasi di bawah kekuatan eksternal. Ini berfungsi untuk melindungi lembaran aluminium tahan ledakan dan juga merupakan komponen untuk menghubungkan baterai dalam paket. Cincin penyegelan terletak di tepi terluar pelat penutup, mengisolasi bagian logam internal dari tutup gabungan dari cangkang baja baterai. Ini memberikan isolasi untuk mencegah sirkuit pendek internal dan juga memastikan penyegelan setelah baterai disegel.

Komponen tahan ledakan terutama digunakan untuk cut-off daya dan pelepas tekanan selama overload baterai untuk mencegah ledakan yang disebabkan oleh tekanan internal yang berlebihan. Ini terdiri dari cincin isolasi, lembaran aluminium tahan ledakan, dan menghubungkan lembaran aluminium. Lembar aluminium tahan ledakan terletak di tengah pelat penutup dan merupakan komponen inti yang menentukan cutoff sirkuit dan pelepasan tekanan kritis. Ketika tekanan internal baterai mencapai nilai tertentu, secara otomatis meledak untuk melepaskan tekanan, memastikan keamanan baterai. Lembar aluminium penghubung terletak di bagian bawah pelat penutup dan terhubung ke lembaran aluminium tahan ledakan dengan pengelasan laser. Jika terjadi situasi yang berbahaya, ia terputus dari lembar aluminium tahan ledakan. Cincin isolasi terletak pada hubungan antara lembaran aluminium penghubung dan lembaran aluminium tahan ledakan, memberikan isolasi dan isolasi.

Proses produksi pelat penutup lebih kompleks daripada shell dan terutama mencakup pencetakan stamping & injeksi, inspeksi komponen, perekatan, perendaman aspal, pembungkus dan pembentukan tepi, pengelasan spot, perakitan komponen, pengelasan spot, perakitan akhir, dan inspeksi sebelum penyimpanan. Tahap pengujian meliputi pengujian tekanan tahan ledakan, pengujian kebocoran helium, pengujian resistensi internal, dan pengujian resistensi. Tahapan yang lebih menantang dalam proses produksi adalah bagian-bagian stamping dan pengelasan, termasuk stamping topi baja, stamping lembaran aluminium tahan ledakan, penghubung stamping lembaran aluminium, stamping cincin penyegelan, cap cincin isolasi, pengelasan gesekan selama pemasangan terminal, dan pengelasan laser selama perakitan.

(c) Pelat koneksi modul baterai

Pelat koneksi modul baterai memainkan peran penting dalam menghubungkan komponen modul baterai daya. Sebagian besar dibuat menggunakan bahan komposit multi-lapisan, dengan satu lapisan bertindak sebagai lapisan penghubung antara konektor dan terminal untuk memastikan kinerja pengelasan yang baik. Penumpukan bahan multi-lapisan memastikan konduktivitas listrik dari pelat koneksi. Setelah memproses pelat dasar dengan beberapa lapisan foil, ia membentuk area yang fleksibel untuk mengkompensasi perpindahan yang disebabkan oleh perluasan sel baterai daya, mengurangi dampak pada antarmuka berkekuatan rendah. Konektor untuk modul baterai daya umumnya dalam bentuk persegi panjang, trapesium, segitiga, atau melangkah. Permukaan koneksi dilapisi dengan 0. 1mm tebal foil tembaga berlapis nikel, yang rentan terhadap oksidasi dan perubahan warna pada suhu tinggi selama pengelasan, membutuhkan pemolesan dan pembersihan tanpa merusak lapisan permukaan.

3. Analisis Kasus Desain

(a) Desain katup tahan ledakan baru

Dalam jenis baru struktur sel prismatik, katup tahan ledakan diposisikan di sisi berlawanan dari elektroda positif dan negatif, menghadap tanah. Desain ini menawarkan beberapa keuntungan. Pertama, dengan tata letak ini, ruang atas sel tidak perlu memesan ruang untuk katup tahan ledakan, sangat menghemat ruang internal dalam cangkang sel. Menurut data penelitian yang relevan, desain ini dapat meningkatkan kepadatan energi volumetrik sekitar [x]%. Kedua, dalam aplikasi praktis, jika produk mengalami pelarian termal karena suhu yang berlebihan, katup tahan ledakan akan pecah tanpa menimbulkan bahaya bagi penghuni kokpit dan kabin, secara efektif menghilangkan risiko keselamatan pribadi.

Misalnya, dalam aplikasi praktis dalam kendaraan energi baru, struktur sel prismatik baru ini memberikan jaminan keamanan yang lebih tinggi bagi penumpang.

(B) Desain Terpadu
Dalam beberapa kasus pembuatan struktur sel prismatik, pelat pendingin cair, busbar, dan harness pengambilan sampel dirancang dengan cara yang terintegrasi. Desain ini memiliki keunggulan yang signifikan. Di satu sisi, pelat pendingin cair dengan cepat mengurangi suhu sel, memastikan sel beroperasi dalam kisaran suhu yang optimal, sehingga meningkatkan kinerja sel dan umur. Sebagai contoh, dalam tes praktis, sel-sel prismatik dengan pelat pendingin cairan terintegrasi mampu menurunkan suhu mereka dengan derajat [x] di bawah operasi beban tinggi kontinu dibandingkan dengan desain tradisional. Di sisi lain, desain terintegrasi mengurangi jumlah komponen, menyederhanakan proses perakitan, dan meningkatkan efisiensi produksi. Pada saat yang sama, desain terintegrasi membantu mengurangi biaya keseluruhan dan meningkatkan daya saing pasar produk.

(c) Struktur perakitan tab lengkap
Desain klip pegas dalam struktur sel prismatik tab lengkap adalah unik. Klip pegas terdiri dari pelat datar pertama dan pelat datar kedua, membentuk struktur berbentuk V yang terbuat dari logam elastis. Desain ini memiliki keunggulan yang signifikan dalam menghubungkan tab dan pelat penutup. Pertama, klip pegas berbentuk V elastis menggunakan gaya reboundnya sendiri untuk menekan kedua pelat penutup dan permukaan tab, mencapai koneksi listrik. Gaya elastis juga meningkatkan konduktivitas kontak antara antarmuka. Selama gaya elastis ada, konduktivitas akan tetap, menghilangkan kebutuhan akan koneksi yang dilas dan mengurangi kesulitan perakitan. Kedua, luas penampang konduktif dari klip pegas tergantung pada luas penampang hubungan antara pelat datar pertama dan kedua, yang lebih besar dari koneksi yang dibentuk oleh busbar dan lasan konvensional. Misalnya, dalam tes praktis, sel -sel prismatik yang terhubung dengan klip pegas menunjukkan kemampuan arus berlebih yang lebih tinggi daripada mereka yang menggunakan metode pengelasan tradisional, meningkat dengan [x]%.

(D) Desain Struktur Tetap
Struktur tetap untuk sel prismatik dan metode pembuatan casing modul baterai memiliki nilai praktis yang tinggi. Desainnya mencakup kombinasi sasis baterai, tutup tetap atas, dan tali pengepakan. Sasis baterai memiliki slot pemasangan baterai pertama yang beradaptasi dengan bagian bawah sel prismatik, dengan aman menjepit bagian bawah sel. Tutup tetap atas memiliki slot pemasangan baterai kedua yang beradaptasi dengan bagian atas sel prismatik, dengan aman menjepit bagian atas sel. Akhirnya, tali pengepakan dipasang di atas sasis baterai dan tutup tetap atas untuk membentuk struktur fiksasi paket baterai tunggal. Selain itu, casing modul baterai dilengkapi dengan komponen anti-slip dan pelat pemasangan partisi atas. Komponen anti-slip termasuk rel pemandu di kedua sisi cangkang dalam casing modul baterai dan membatasi tulang rusuk di bagian bawah casing, yang membantu membatasi posisi setiap paket baterai, mencegah guncangan. Pelat pemasangan partisi atas dapat dihubungkan secara terlepas ke cangkang luar dari casing modul baterai, menekan dan memperbaiki bagian atas beberapa paket baterai. Desain ini meningkatkan keamanan fiksasi sel prismatik dan memberikan perlindungan yang andal untuk aplikasi kotak baterai penyimpanan energi.

4. Desain Ringkasan Poin Kunci

Poin -poin kunci desain komponen struktural sel prismatik sangat banyak, dan titik -titik ini memainkan peran penting dalam meningkatkan keamanan dan kinerja baterai lithium.

(A) Desain penyegelan port injeksi cair
Desain penyegelan port injeksi cair secara langsung terkait dengan keamanan dan umur baterai. Steker penyegelan port injeksi cair yang dirancang oleh CATL terdiri dari bagian logam dan bagian karet, dengan gangguan pada titik kontak dengan lubang injeksi. Lubang injeksi juga memiliki reses, dan bagian karet dari steker penyegelan dirancang dengan tonjolan yang dapat terlibat dengan reses. Desain ini memungkinkan perakitan pendinginan pada suhu rendah, secara efektif mencegah pembentukan gerinda dan partikel logam, memastikan penyegelan yang andal dari pelabuhan injeksi cairan. Pada saat yang sama, bagian karet mencegah gerinda logam dan partikel jatuh ke dalam cangkang baterai, memastikan keamanan baterai. Struktur penyegelan mekanis tidak memerlukan pengelasan laser, menyederhanakan proses dan secara signifikan mengurangi biaya.

(B) Desain Terminal Positif dan Negatif

Terminal positif biasanya terbuat dari aluminium, sedangkan terminal negatif terbuat dari komposit tembaga-aluminium. Fungsi utama mereka adalah melakukan arus. Di baterai, terminal penutup atas, busbar, dan tab sel dilas bersama untuk memastikan pass saat ini melewati sel untuk pengisian dan pemakaian. Dalam modul, terminal penutup atas dilapisi laser dan dibaut ke busbar, membentuk seri/koneksi paralel. Selain itu, secara langsung menghubungkan cangkang aluminium dan terminal positif dapat menghilangkan perbedaan potensial antara keduanya, mencegah korosi shell aluminium.

(c) Meningkatkan resistensi terminal positif
Resistensi antara terminal positif dan cangkang aluminium sangat kecil, pada tingkat Milliohm. Ketika hubung singkat terjadi, arus loop besar, dan ini dapat menyebabkan percikan, yang dapat menyebabkan api baterai, menimbulkan bahaya keamanan yang signifikan. Saat ini, plastik konduktif atau silikon karbida sering ditambahkan antara pelat penutup atas cangkang aluminium dan terminal positif untuk meningkatkan resistensi konduktif antara cangkang aluminium dan terminal positif. CATL juga telah merancang termistor PTC antara terminal positif dan pelat penutup atas. Dengan memanfaatkan karakteristik termistor untuk mengubah resistensi dengan suhu, termistor PTC dapat dengan cepat mengonsumsi energi internal ketika baterai daya mengalami sirkuit pendek eksternal, mencegah guncangan termal dari panas yang berlebihan pada resistor. Ini menghilangkan masalah resistensi rendah yang menyebabkan leleh sementara juga menghindari masalah seperti api baterai atau peleburan resistor karena suhu yang berlebihan.

(d) Desain pelat tahan ledakan dan pembalikan
Secara umum, penutup atas baterai lithium besi fosfat menggunakan katup tahan ledakan tunggal, dengan tekanan pembukaan 0. 4 0. 8 MPa. Ketika tekanan internal meningkat dan melebihi tekanan pembukaan katup tahan ledakan, katup akan pecah pada takik dan terbuka untuk melepaskan tekanan. Untuk sistem baterai ternary, selain katup tahan ledakan, desain kombinasi pelat pembalikan SSD juga digunakan. Tekanan pembukaan katup tahan ledakan dan tekanan pembalikan pelat SSD biasanya {{1 0}}. 751.05 MPa dan 0,45 ~ 0,5 MPa, masing-masing. Ketika tekanan internal baterai meningkat ke tekanan pembalikan SSD, pelat pembalikan didorong ke atas, dengan cepat memotong arus. Secara bersamaan, sekering pelat koneksi aluminium berhembus, menyebabkan rangkaian pendek langsung antara terminal positif dan negatif dari penutup atas, dengan cepat memotong arus.

Titik-titik kunci desain komponen struktural sel prismatik mencakup beberapa aspek, termasuk penyegelan port injeksi cair, desain terminal positif dan negatif, meningkatkan resistensi terminal positif, dan desain pelat anti ledakan dan pembalikan. Elemen -elemen desain ini bekerja bersama untuk meningkatkan keamanan dan kinerja baterai lithium, memberikan dukungan teknis yang solid untuk pengembangan kendaraan energi baru dan pasar penyimpanan energi.