يتم تجميع حزم بطاريات تخزين الطاقة والطاقة عن طريق توصيل الخلايا بشكل متسلسل ومتوازي، إلا أن الخلايا ليست على اتصال مباشر مع بعضها البعض. تتعرض خلايا أيون الليثيوم- لتوسع حجمي أثناء الشحن والتفريغ، لذلك يجب ترتيب المواد العازلة بين الخلايا لامتصاص الإجهاد الميكانيكي. في الوقت الحاضر، يتم اعتماد المواد الرغوية على نطاق واسع لتلبية متطلبات التخزين المؤقت الديناميكي والدعم الثابت.
01 ظاهرة التورم في وحدات بطارية الليثيوم-أيون
يُطلق على بطاريات أيونات الليثيوم- اسم "بطاريات الكرسي الهزاز": مدفوعة بفرق الجهد، تنتقل أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا بين الكاثودات والأنودات لتخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها.
ومع ذلك، فإن إقحام وإلغاء تداخل Li⁺ داخل وخارج المواد الفعالة للكاثود والأنود يسبب توسعًا في حجم المواد الفعالة. ينقسم هذا التورم إلى فئتين: تورم قابل للعكس وتورم لا رجعة فيه. يتراكم التورم الذي لا رجعة فيه بشكل مستمر مع زيادة دورات تفريغ الشحنة-.
هناك ثلاثة أسباب جذرية لتورم الخلايا: التورم الكهروكيميائي، وتورم توليد الغاز، وتأثيرات درجة الحرارة.
تُستخدم ألواح الإيبوكسي بشكل شائع كمواد عازلة بين بطاريات الرصاص-الحمضية لمركبتين كهربائيتين بعجلتين. ومع ذلك، تتميز ألواح الإيبوكسي بالهشاشة العالية وعدم المرونة، وتفشل في امتصاص قوة تمدد الخلايا. ولذلك، فهي غير مناسبة كمواد عازلة لحزم بطاريات أيون الليثيوم-على الرغم من تكلفتها المنخفضة للغاية-.
توفر بطاريات أيون الليثيوم-أنود-السيليكون كثافة طاقة أعلى بشكل كبير مقارنةً بنظيراتها من الأنود الكربوني-، مما يمثل أسلوبًا فعالاً لزيادة كثافة طاقة البطارية بشكل أكبر. ومع ذلك، فإن معدل التورم المفرط (يرتفع سمكها بنسبة 15% - 30% بعد 100 دورة) قد أعاق منذ فترة طويلة -التطبيق التجاري على نطاق واسع.
02 الأنواع الرئيسية للمواد العازلة
يعد تورم الخلايا سمة متأصلة طوال فترة الخدمة الكاملة للبطاريات. يصبح التخفيف من التأثيرات السلبية الناجمة عن التورم أمرًا بالغ الأهمية لإطالة عمر دورة البطارية.
سيؤدي الفشل في عزل تورم الخلايا الذي لا رجعة فيه بشكل كافٍ إلى تسريع تدهور القدرات.
أربع قواعد أساسية تحكم تضخم خلايا أيون الليثيوم-:
التوزيع المكاني: قوة التمدد في المنطقة الوسطى أكبر منها عند الحواف.
ارتباط السعة: تتوافق سعة الخلية الأكبر مع معدل تورم أعلى (تتميز خلايا تخزين الطاقة عمومًا بسعات كبيرة).
كيمياء الخلية: تنتفخ الخلايا الثلاثية بشدة أكبر من الخلايا ذات الحجم الكبير. تحقق خلايا NCM811 معدل تورم يتراوح بين 6% و8%، بينما تصل خلايا LFP إلى 3% و5% فقط. بشكل عام، تظهر الخلايا ذات كثافة الطاقة الأعلى معدلات تورم أعلى.
عدد الدورات: يتراكم التورم الذي لا رجعة فيه مع زيادة دورات تفريغ الشحنة-، مما يؤدي إلى زيادة توسع الخلايا بشكل عام.
وبالتالي فإن المواد العازلة هي مكونات لا غنى عنها للوحدات، حيث تخدم ثلاث وظائف أساسية: توزيع الضغط، وتعويض الإزاحة، والعزل الحراري وتثبيط اللهب.
(1) رغوة السيليكون
تبلغ كثافة راتينج السيليكون الأساسي 1.17 جم/سم مكعب؛ وبعد الرغوة، تنخفض الكثافة إلى 0.16-0.20 جم/سم3. إنه يحقق تثبيط اللهب العمودي UL94-V0 ومجموعة الضغط المنخفض. يوصى برغوة السيليكون لوحدات تخزين الطاقة ذات السعة العالية مع قوة تمدد قوية.
(2) رغوة إيفا
تُرى رغوة EVA على نطاق واسع في المنتجات اليومية مثل نعال الشباشب. قد يلاحظ المستخدمون عيبه الواضح: يخضع جزء الكعب للتسطيح الدائم بعد الاستخدام لفترة طويلة-، مما يشير إلى مجموعة ضغط عالية من مادة EVA. تتميز رغوة EVA بتكلفة منخفضة- ويتم تطبيقها بشكل أساسي بين وحدات الخلايا المنشورية.
(3) رغوة CR
تتوافق رغوة CR، الاسم الكامل لرغوة مطاط الكلوروبرين، مع شهادة مثبطات اللهب UL94 V-0 ومعايير RoHS البيئية. الميزات: كثافة منخفضة، خفيفة الوزن، صلابة منخفضة، انضغاطية عالية، عزل حراري ممتاز ومثبطات اللهب، مرونة فائقة وعمر خدمة طويل.
(4) رغوة البولي يوريثان
يشير PU إلى البوليمرات المشتركة التي تتكون من عدد لا يحصى من المسام الدقيقة وهياكل راتنجات البولي يوريثان، بما في ذلك البولي يوريا والبولي يوريثان المعدل. يوفر PU مرونة ضغط أقل قليلاً ويستخدم في الغالب بين وحدات خلايا الحقيبة. الميزات: هيكل مسامي، كثافة منخفضة، قوة محددة عالية، انتعاش جيد ونفاذية الهواء، فقدان تباطؤ منخفض، نسبة حمل ضغط عالية، مقاومة جيدة للهب، ومقاومة رائعة للشيخوخة الحرارية، وشيخوخة الرطوبة والتعب الديناميكي.
(5) رغوة MPP
إن MPP عبارة عن مادة بولي بروبيلين رغوية مسامية (PP) تم تصنيعها عبر تقنية ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج النظيفة لتوليد فقاعات عديدة بحجم ميكرون- داخل الركيزة. يتوافق MPP مع معايير RoHS وREACH ويتم تطبيقه على نطاق واسع في صناعة الطاقة الجديدة. الميزات: خفيف الوزن، وقوة عالية، وامتصاص فعال للطاقة، ومثبطات لهب ممتازة ومقاومة للحرارة.
(6) ايروجيل
المواد المذكورة أعلاه عبارة عن ركائز مرنة مصممة أساسًا لامتصاص قوة تمدد الخلايا. تعتبر مادة Airgel مادة أخرى تستخدم على نطاق واسع بين الخلايا-وتركز على العزل الحراري وتثبيط اللهب؛ كما أنها تمتلك قابلية ضغط مناسبة لتوفير أداء تخزين مؤقت معتدل. على سبيل المثال، تحت حمولة تبلغ حوالي 200 كجم ثقلي على وحدة 1P13S، يتم ضغط ورقة من الهلام الهوائي بسمك 2.0 مم إلى 1.5 مم تقريبًا.
صفائح العزل الحراري Airgel عبارة عن مواد مركبة مصنوعة من هلام السيليكا وركائز ألياف السيراميك. إنها تتميز بكثافة منخفضة، ومسامية عالية، ومقاومة لدرجات الحرارة العالية، وموصلية حرارية منخفضة، مما يمنع انتشار الحرارة بشكل فعال بين الخلايا أثناء الانفلات الحراري.
