Projeto e análise de componentes estruturais de células prismáticas

一. Visão geral dos componentes estruturais de células prismáticas
Os componentes estruturais prismáticos de células desempenham um papel crucial nas baterias de lítio. Eles servem principalmente funções como transmissão de energia, contenção de eletrólitos, proteção à segurança, suporte e fixação da bateria e decoração externa. Esses componentes afetam diretamente a segurança, o desempenho de vedação e a eficiência da utilização de energia das baterias de lítio.

De acordo com dados relevantes, o tamanho do mercado dos componentes estruturais da bateria de lítio na China atingiu 33,8 bilhões de yuan em 2022, representando um crescimento ano a ano de 93,2%. Entre eles, os componentes estruturais da bateria prismática ocupam a maioria do mercado de componentes estruturais, com uma participação de mercado de até 90,7%, enquanto os componentes estruturais da bateria cilíndrica representam apenas 9,3%. Esse domínio se deve principalmente ao rápido desenvolvimento do novo mercado de veículos energéticos da China, impulsionado pelo forte apoio da política do governo. A capacidade de produção dos fabricantes de baterias e o número de células por ordem aumentaram significativamente, e as baterias prismáticas são mais adequadas para atender às demandas da produção em larga escala.

Os componentes estruturais prismáticos das células são geralmente compostos por uma concha e uma placa de cobertura. O processo de fabricação de conchas é relativamente simples, principalmente usando processos de desenho profundo contínuo e geralmente é feito de aço ou alumínio. Oferece alta resistência estrutural e forte resistência a cargas mecânicas. Por outro lado, o processo de fabricação da placa de cobertura é geralmente muito mais complexo que o da concha. Suas principais funções incluem fixação/vedação, condução de corrente, alívio de pressão, proteção do fusível e redução de corrosão elétrica. Por exemplo, a tampa superior é soldada a laser na concha de alumínio para encapsular e prender a célula nua, garantindo uma estrutura selada. Os terminais, barramentos e abas de células da capa superior são soldados para garantir a condução de corrente de carga e descarga adequada. Quando a bateria encontra uma situação anormal e a pressão interna aumenta, a válvula de segurança da capa superior se abre para liberar pressão, reduzindo o risco de explosão.

Os componentes estruturais prismáticos de células desempenham um papel indispensável nas baterias de lítio, e suas perspectivas de mercado estão se tornando cada vez mais amplas com o desenvolvimento do novo veículo energético e mercados de armazenamento de energia.

2. Tipos e funções de componentes estruturais

(a) Shell
Como um componente crucial dos componentes estruturais das células prismáticas, a concha desempenha papéis -chave na fixação, proteção, vedação e dissipação de calor. Serve como uma barreira entre os materiais ativos dentro da célula e o ambiente externo durante todo o seu ciclo de vida, fornecendo estabilidade estrutural ao sistema eletroquímico interno e garantindo que a célula mantenha uma estrutura estável sob várias condições.

Em termos de proteção, a concha pode suportar certas cargas mecânicas, impedindo que os impactos externos danifiquem a célula. Sua função de vedação garante que o eletrólito não vaze, mantendo o estado operacional normal da bateria. Além disso, a concha ajuda na dissipação de calor liberando calor gerado durante a operação da bateria, aumentando assim a segurança da bateria e ampliando sua vida útil.

O processo de produção da concha inclui principalmente o corte de matéria -prima, o desenho profundo contínuo, o corte, a limpeza, a secagem e a inspeção de precisão. Entre eles, a tecnologia de desenho profundo contínuo de precisão é o aspecto mais desafiador da produção de conchas. Durante esse processo, é essencial garantir a espessura uniforme da parede e evitar fraturas.

Comparado ao estampamento convencional de etapa única, o desenho profundo contínuo de precisão é mais difícil. Suas barreiras principais estão nos moldes e equipamentos de desenho. Moldes de alta qualidade e equipamentos de desenho avançado são críticos para garantir a precisão dimensional e a estabilidade do desempenho da concha.

(b) Placa de cobertura
A placa de cobertura desempenha um papel crucial nos componentes estruturais das células prismáticas, fornecendo funções como conexão, isolamento, vedação e proteção de explosão.

A tampa de aço está localizada na parte superior da placa de cobertura e tem uma alta resistência, tornando -a resistente à deformação sob forças externas. Serve para proteger a folha de alumínio à prova de explosão e também é um componente para conectar baterias no pacote. O anel de vedação está localizado na borda mais externa da placa de cobertura, isolando as partes de metal internas da tampa combinada da concha de aço da bateria. Ele fornece isolamento para evitar curtos circuitos internos e também garante a vedação após a vedação da bateria.

O componente à prova de explosão é usado principalmente para corte de energia e alívio de pressão durante a sobrecarga da bateria para evitar uma explosão causada por pressão interna excessiva. Consiste em um anel de isolamento, folha de alumínio à prova de explosão e folha de alumínio conectando. A folha de alumínio à prova de explosão está localizada no meio da placa de cobertura e é o componente do núcleo que determina o corte do circuito e a liberação de pressão crítica. Quando a pressão interna da bateria atinge um determinado valor, ela explode automaticamente para liberar pressão, garantindo a segurança da bateria. A folha de alumínio de conexão está localizada na parte inferior da placa de cobertura e é conectada à folha de alumínio à prova de explosão por soldagem a laser. No caso de uma situação perigosa, ele se desconecta da folha de alumínio à prova de explosão. O anel de isolamento está localizado na conexão entre a folha de alumínio de conexão e a folha de alumínio à prova de explosão, fornecendo isolamento e isolamento.

O processo de produção da placa de cobertura é mais complexo do que o da concha e inclui principalmente moldagem por estampagem e injeção, inspeção de componentes, colagem, imersão de asfalto, embalagem e modelagem de arestas, soldagem ao ponto, montagem de componentes, soldagem à vista, montagem final e inspeção antes do armazenamento. Os estágios de teste incluem teste de pressão à prova de explosão, teste de vazamento de hélio, teste de resistência interna e teste de resistência. Os estágios mais desafiadores do processo de produção são as peças de estampagem e soldagem, incluindo estampagem de tampa de aço, estampagem de folha de alumínio à prova de explosão, estampagem de folha de alumínio, estampagem de anel de vedação, estampagem do anel de isolamento, soldagem por atrito durante a instalação do terminal e soldagem a laser durante a montagem.

(c) placa de conexão do módulo da bateria

A placa de conexão do módulo da bateria desempenha um papel importante na conexão dos componentes do módulo da bateria de energia. É feito principalmente usando materiais compósitos de várias camadas, com uma camada atuando como a camada de conexão entre o conector e o terminal para garantir um bom desempenho de soldagem. O empilhamento de material de várias camadas garante a condutividade elétrica da placa de conexão. Após o processamento da placa de base com várias camadas de papel alumínio, forma uma área flexível para compensar o deslocamento causado pela expansão da célula da bateria de energia, reduzindo o impacto nas interfaces de baixa resistência. Os conectores para módulos de bateria de energia geralmente estão em formas retangulares, trapezoidais, triangulares ou escalonadas. A superfície da conexão é revestida com 0. 1 mm de espessura com folha de cobre, que é propensa a oxidação e descoloração em altas temperaturas durante a soldagem, exigindo polimento e limpeza sem danificar o revestimento da superfície.

3. Análise de caso de projeto

(a) Projeto de nova válvula à prova de explosão

Em um novo tipo de estrutura celular prismática, a válvula à prova de explosão é posicionada no lado oposto dos eletrodos positivos e negativos, voltada para o solo. Este design oferece várias vantagens. Em primeiro lugar, com esse layout, o espaço superior da célula não precisa reservar espaço para a válvula à prova de explosão, economizando muito o espaço interno na concha da célula. De acordo com os dados de pesquisa relevantes, esse projeto pode aumentar a densidade volumétrica de energia em aproximadamente [x]%. Em segundo lugar, em aplicações práticas, se o produto experimentar o fugitivo térmico devido à temperatura excessiva, a válvula à prova de explosão se ruptura sem representar um risco para os ocupantes do cockpit e da cabine, eliminando efetivamente os riscos de segurança pessoal.

Por exemplo, em aplicações práticas em novos veículos de energia, essa nova estrutura celular prismática fornece maior garantia de segurança para os passageiros.

(b) Design integrado
Em alguns casos de fabricação prismática da estrutura celular, a placa de resfriamento líquido, o barramento e o chicote de amostragem são projetados de maneira integrada. Esse design tem vantagens significativas. Por um lado, a placa de resfriamento de líquido reduz rapidamente a temperatura da célula, garantindo que a célula opere dentro de uma faixa de temperatura ideal, melhorando assim o desempenho e a vida útil da célula. Por exemplo, em testes práticos, as células prismáticas com placas de resfriamento líquido integrado foram capazes de diminuir sua temperatura pelo grau [x] em operação contínua de alta carga em comparação aos projetos tradicionais. Por outro lado, o design integrado reduz o número de componentes, simplifica o processo de montagem e melhora a eficiência da produção. Ao mesmo tempo, o design integrado ajuda a reduzir os custos gerais e aprimora a competitividade do mercado do produto.

(c) Estrutura completa do conjunto da guia
O design do clipe de mola na estrutura de células prismáticas completas é única. O clipe de mola consiste em uma primeira placa plana e uma segunda placa plana, formando uma estrutura em forma de V feita de metal elástico. Esse design tem vantagens significativas para conectar as guias e a placa de cobertura. Em primeiro lugar, o clipe de mola em forma de V elástico usa sua própria força de rebote para pressionar contra a placa de cobertura e as superfícies da aba, alcançando uma conexão elétrica. A força elástica também melhora a condutividade de contato entre as interfaces. Enquanto a força elástica existir, a condutividade permanecerá, eliminando a necessidade de conexões soldadas e reduzindo a dificuldade da montagem. Em segundo lugar, a área de seção transversal condutora do clipe de mola depende da área da seção transversal da conexão entre a primeira e a segunda placas planas, que é maior que a conexão formada por barbos e soldas convencionais. Por exemplo, em testes práticos, as células prismáticas conectadas aos clipes de mola exibiram uma capacidade de sobrecorrente mais alta do que aqueles que usam métodos tradicionais de soldagem, melhorando em [x]%.

(d) Projeto de estrutura fixa
A estrutura fixa para células prismáticas e o método de fabricação da carcaça do módulo da bateria têm alto valor prático. O design inclui a combinação do chassi da bateria, tampa fixa superior e tiras de embalagem. O chassi da bateria tem um primeiro slot para fixação de bateria que se adapta à parte inferior da célula prismática, apertando com segurança a parte inferior da célula. A tampa fixa superior tem um segundo slot de fixação de bateria que se adapta ao topo da célula prismática, apertando com segurança a parte superior da célula. Finalmente, a pulseira de embalagem é montada sobre o chassi da bateria e a tampa fixa superior para formar uma única estrutura de fixação da bateria. Além disso, o revestimento do módulo da bateria está equipado com componentes anti-deslizamento e uma placa de fixação de partição superior. Os componentes anti-deslizamento incluem trilhos-guia em ambos os lados da concha interna do revestimento do módulo da bateria e as costelas limitadas na parte inferior da carcaça, que ajudam a limitar a posição de cada bateria, impedindo o agitação. A placa de fixação da partição superior pode ser destacável conectada à concha externa do revestimento do módulo da bateria, pressionando e fixando o topo de várias baterias. Esse design melhora a segurança da fixação das células prismáticas e fornece proteção confiável para aplicações de caixas de bateria de armazenamento de energia.

4. Resumo dos pontos -chave do design

Os pontos -chave do design dos componentes estruturais de células prismáticos são numerosos, e esses pontos desempenham um papel crucial na melhoria da segurança e desempenho das baterias de lítio.

(a) Design de vedação por porta de injeção de líquido
O design de vedação da porta de injeção de líquido está diretamente relacionado à segurança e à vida útil da bateria. O plugue de vedação por porta de injeção de líquido projetado pelo CATL consiste em uma peça de metal e uma parte de borracha, com um ajuste de interferência no ponto de contato com o orifício da injeção. O orifício de injeção também possui um recesso e a parte de borracha do plugue de vedação é projetada com uma protrusão que pode se envolver com o recesso. Esse projeto permite a montagem de resfriamento a baixas temperaturas, impedindo efetivamente a formação de rebarbas e partículas de metal, garantindo a vedação confiável da porta de injeção de líquido. Ao mesmo tempo, a parte da borracha impede que as rebarbas e partículas de metal caam na casca da bateria, garantindo a segurança da bateria. A estrutura mecânica de vedação não requer soldagem a laser, simplificando o processo e reduzindo significativamente os custos.

(b) Projeto terminal positivo e negativo

O terminal positivo é geralmente feito de alumínio, enquanto o terminal negativo é feito de um compósito de alumínio de cobre. Sua função principal é conduzir a corrente. Na bateria, o terminal de capa superior, o barramento e as abas da célula são soldados para garantir que a corrente passe pela célula para carregamento e descarga. No módulo, o terminal de capa superior é soldado a laser e aparafusado ao barramento, formando conexões em série/paralelo. Além disso, conectar diretamente a concha de alumínio e o terminal positivo pode eliminar a diferença de potencial entre os dois, impedindo a corrosão da concha de alumínio.

(c) Aumentar a resistência positiva do terminal
A resistência entre o terminal positiva e a concha de alumínio é muito pequena, no nível de miliohm. Quando ocorre um curto -circuito, a corrente de loop é grande, e isso pode causar provas, o que pode levar a um incêndio na bateria, representando um risco significativo de segurança. Atualmente, é frequentemente adicionado um carboneto de plástico condutor ou de silício é adicionado entre a placa de tampa superior da concha de alumínio e o terminal positivo para aumentar a resistência condutiva entre a concha de alumínio e o terminal positivo. A CATL também projetou um termistor PTC entre o terminal positivo e a placa de tampa superior. Ao utilizar a característica do termistor de alterar a resistência à temperatura, o termistor PTC pode consumir rapidamente energia interna quando a bateria de energia experimenta um curto -circuito externo, impedindo o choque térmico por calor excessivo no resistor. Isso elimina a questão da baixa resistência, causando a fusão, além de evitar problemas como incêndio de bateria ou derretimento do resistor devido à temperatura excessiva.

(d) Projeto de placa à prova de explosão e reversão
Geralmente, a cobertura superior das baterias de fosfato de ferro de lítio usa uma única válvula à prova de explosão, com uma pressão de abertura de 0. 4 0. 8 MPa. Quando a pressão interna aumenta e excede a pressão de abertura da válvula à prova de explosão, a válvula se rompe no entalhe e aberta para liberar pressão. Para sistemas de bateria ternários, além da válvula à prova de explosão, também é usado um projeto de combinação de placas de reversão SSD. A pressão de abertura da válvula à prova de explosão e a pressão de reversão da placa SSD são tipicamente {{1 0}}. 751.05 MPa e 0,45 ~ 0,5 MPa, respectivamente. Quando a pressão interna da bateria aumenta para a pressão de reversão do SSD, a placa de reversão é empurrada para cima, cortando rapidamente a corrente. Simultaneamente, a placa de conexão de alumínio sopra, causando um curto -circuito direto entre os terminais positivos e negativos da tampa superior, cortando rapidamente a corrente.

Os pontos-chave do projeto dos componentes estruturais das células prismáticas cobrem vários aspectos, incluindo a vedação da porta de injeção de líquido, o projeto terminal positivo e negativo, o aumento da resistência positiva do terminal e o projeto de placas à prova de explosão e reversão. Esses elementos de design trabalham juntos para aprimorar a segurança e o desempenho das baterias de lítio, fornecendo suporte técnico sólido para o desenvolvimento dos novos mercados de veículos energéticos e de armazenamento de energia.