Baterije za napajanje in shranjevanje energije so sestavljene z zaporedno in vzporedno vezavo celic, vendar celice med seboj niso v neposrednem stiku. Litij-ionske celice so podvržene prostorninski ekspanziji med polnjenjem in praznjenjem, zato morajo biti med celicami razporejeni puferski materiali, ki absorbirajo mehanske obremenitve. Trenutno so penasti materiali široko sprejeti za izpolnjevanje dinamičnih blažilnih in statičnih podpornih zahtev.
01 Pojav nabrekanja modulov litij-ionske baterije
Litij-ionske baterije so slikovito imenovane "baterije gugalnega stola": litijevi ioni, ki jih poganja potencialna razlika, krožijo naprej in nazaj med katodami in anodami, da shranjujejo in sproščajo električno energijo.
Kljub temu interkalacija in deinterkalacija Li⁺ v in iz katodnih in anodnih aktivnih materialov povzroči povečanje volumna aktivnih snovi. Takšno otekanje spada v dve kategoriji: reverzibilno otekanje in ireverzibilno otekanje. Ireverzibilno otekanje se nenehno kopiči, ko se cikli polnjenja-praznjenja povečujejo.
Obstajajo trije temeljni vzroki za otekanje celic: elektrokemično otekanje, otekanje zaradi nastajanja plinov in temperaturni učinki.
Epoksi plošče se običajno uporabljajo kot vmesni materiali med svinčenimi-kislinskimi akumulatorji za dvo-kolesna električna vozila. Vendar imajo epoksidne plošče visoko krhkost in ničelno odpornost, saj ne absorbirajo sile širjenja celic. Zato so neprimerni kot puferski materiali za litij-ionske baterijske pakete kljub svoji ultra-nizki ceni.
Litij-ionske baterije s silicijevo-anodo zagotavljajo drastično višjo energijsko gostoto v primerjavi s sorodnimi baterijami z ogljikovo-anodo, kar predstavlja učinkovit pristop k nadaljnjemu povečanju gostote energije baterije. Vendar je njihova čezmerna stopnja nabrekanja (debelina se po 100 ciklih poveča za 15 %–30 %) dolgo ovirala-komercialno uporabo v velikem obsegu.
02 Glavne vrste vmesnih materialov
Nabrekanje celic je lastna značilnost skozi celotno življenjsko dobo baterij. Ublažitev škodljivih vplivov, ki jih povzroča otekanje, postane ključnega pomena za podaljšanje življenjske dobe baterije.
Neustrezno blaženje ireverzibilnega otekanja celic bo še pospešilo razgradnjo zmogljivosti.
Štiri osnovna pravila, ki urejajo otekanje litij{0}}ionskih celic:
Prostorska porazdelitev: Sila raztezanja v osrednjem območju je večja od tiste na robovih.
Korelacija zmogljivosti: Večja zmogljivost celice ustreza višji stopnji nabrekanja (celice za shranjevanje energije imajo na splošno velike zmogljivosti).
Celična kemija: Ternarne celice nabreknejo močneje kot celice LFP. Celice NCM811 dosežejo stopnjo nabrekanja 6%–8%, medtem ko celice LFP dosežejo le 3%–5%. Na splošno imajo celice z večjo energijsko gostoto višje stopnje nabrekanja.
Število ciklov: Ireverzibilna oteklina se kopiči z naraščajočimi cikli-praznjenja, kar vodi v večjo splošno širitev celic.
Puferski materiali so zato nepogrešljive komponente za module, ki opravljajo tri glavne funkcije: porazdelitev tlaka, kompenzacija premika, toplotna izolacija in zaviranje gorenja.
(1) Silikonska pena
Osnovna silikonska smola ima gostoto 1,17 g/cm³; po penjenju gostota pade na 0,16–0,20 g/cm³. Dosega UL94-V0 navpično zaviranje gorenja in nizko stiskanje. Silikonska pena se priporoča za visoko zmogljive module za shranjevanje energije z močno ekspanzijsko silo.
(2) pena EVA
Pena EVA je pogosto vidna v dnevnih izdelkih, kot so podplati copat. Uporabniki lahko opazijo njegovo očitno pomanjkljivost: petni del se po dolgotrajni-rabi trajno splošči, kar kaže na visoko kompresijo EVA. Pena EVA je poceni-in se večinoma uporablja med moduli prizmatičnih celic.
(3) CR pena
CR pena, polno ime Chloroprene Rubber Foam, je skladna s certifikatom za zaviranje gorenja UL94 V-0 in okoljskimi standardi RoHS. Lastnosti: nizka gostota, lahek, nizka trdota, visoka stisljivost, odlična toplotna izolacija in negorljivost, vrhunska odpornost in dolga življenjska doba.
(4) PU pena
PU se nanaša na kopolimere, sestavljene iz neštetih mikro{0}}por in ogrodij iz poliuretanske smole, vključno s poliureo in modificiranim poliuretanom. PU zagotavlja nekoliko slabšo odpornost na stiskanje in se večinoma uporablja med moduli celic vrečk. Lastnosti: porozna struktura, nizka gostota, visoka specifična trdnost, spodoben odboj in prepustnost zraka, nizka izguba zaradi histereze, visoko razmerje kompresijske obremenitve, dobra odpornost na gorenje in izjemna odpornost na toplotno staranje, staranje zaradi vlage in dinamično utrujenost.
(5) MPP pena
MPP je material iz poroznega penastega polipropilena (PP), izdelan s tehnologijo čistega superkritičnega ogljikovega dioksida za ustvarjanje številnih mikronskih-mehurčkov v substratu. MPP izpolnjuje standarde RoHS in REACH in se široko uporablja v novi energetski industriji. Značilnosti: lahek, visoka trdnost, učinkovita absorpcija energije udarca, odlična odpornost proti gorenju in toplotna odpornost.
(6) Aerogel
Zgornji materiali so elastični substrati, ki so v prvi vrsti zasnovani za absorpcijo sile celične ekspanzije. Aerogel je še en široko uporabljen med-celični material, ki se osredotoča na toplotno izolacijo in zaviranje gorenja; ima tudi spodobno stisljivost, da zagotovi zmerno zmogljivost medpomnilnika. Na primer, pod obremenitvijo približno 200 kgf na modulu 1P13S se 2,0 mm debela plošča aerogela stisne na približno 1,5 mm.
Toplotnoizolacijske plošče iz aerogela so kompozitni materiali iz silicijevega aerogela in podlage iz keramičnih vlaken. Imajo nizko gostoto, visoko poroznost, visoko temperaturno odpornost in nizko toplotno prevodnost, ki učinkovito blokirajo širjenje toplote med celicami med toplotnim uhajanjem.
