Baterije za napajanje i pohranu energije sastavljene su serijskim i paralelnim spajanjem ćelija, ali ćelije nisu u izravnom kontaktu jedna s drugom. Litij-ionske ćelije podliježu ekspanziji volumena tijekom punjenja i pražnjenja, tako da se među ćelijama moraju postaviti međuspremnici koji apsorbiraju mehanički stres. Trenutno su pjenasti materijali naširoko prihvaćeni kako bi zadovoljili zahtjeve dinamičkog puferiranja i statičke potpore.
01 Fenomen bubrenja modula litij-ionske baterije
Litij-ionske baterije slikovito se nazivaju "baterije stolica za ljuljanje": vođeni razlikom potencijala, litijevi ioni se kreću naprijed-natrag između katoda i anoda kako bi pohranili i oslobodili električnu energiju.
Unatoč tome, interkalacija i deinterkalacija Li⁺ ui iz katodnih i anodnih aktivnih materijala uzrokuje ekspanziju volumena aktivnih tvari. Takvo oticanje spada u dvije kategorije: reverzibilno oticanje i nepovratno oticanje. Nepovratno oticanje kontinuirano se nakuplja kako se ciklusi punjenja-pražnjenja povećavaju.
Tri su temeljna uzroka oticanja stanica: elektrokemijsko oticanje, oticanje stvaranjem plina i temperaturni učinci.
Epoksidne ploče obično se koriste kao međuspremnik između olovnih{0}}kiselih baterija za električna vozila s dva{1}}kotača. Međutim, epoksidne ploče imaju visoku krtost i nultu otpornost, ne uspijevajući apsorbirati silu širenja stanica. Stoga su neprikladni kao međuspremnici za litij-ionske baterije unatoč svojoj ultra-niskoj cijeni.
Litij-ionske baterije sa silicij-anodom isporučuju drastično veću gustoću energije u usporedbi s analognim-anodama s ugljičnom{2}}anodom, što predstavlja učinkovit pristup dodatnom povećanju gustoće energije baterije. Ipak, njihova pretjerana stopa bubrenja (debljina raste za 15%–30% nakon 100 ciklusa) dugo je sprječavala -komercijalnu primjenu velikih razmjera.
02 Glavne vrste puferskih materijala
Bubrenje ćelija je inherentna karakteristika tijekom cijelog životnog vijeka baterija. Ublažavanje negativnih utjecaja izazvanih bubrenjem postaje ključno za produljenje vijeka trajanja baterije.
Neuspjeh u adekvatnom puferiranju ireverzibilnog bubrenja stanica dodatno će ubrzati degradaciju kapaciteta.
Četiri temeljna pravila koja reguliraju bubrenje litij{0}}ionskih stanica:
Prostorna raspodjela: Sila širenja u središnjoj zoni veća je od one na rubovima.
Korelacija kapaciteta: Veći kapacitet ćelije odgovara većoj stopi bubrenja (ćelije za pohranu energije općenito imaju veliki kapacitet).
Kemija stanica: Ternarne stanice bubre jače od LFP stanica. NCM811 stanice postižu stopu bubrenja od 6%-8%, dok LFP stanice postižu samo 3%-5%. Općenito, stanice s većom gustoćom energije pokazuju veće stope bubrenja.
Broj ciklusa: nepovratno oticanje nakuplja se s povećanjem ciklusa-pražnjenja, što dovodi do veće ukupne ekspanzije stanica.
Odbojni materijali su stoga nezamjenjive komponente za module, služeći tri ključne funkcije: raspodjela tlaka, kompenzacija pomaka, toplinska izolacija i otpornost na plamen.
(1) Silikonska pjena
Osnovna silikonska smola ima gustoću od 1,17 g/cm³; nakon pjenjenja gustoća pada na 0,16–0,20 g/cm³. Postiže UL94-V0 vertikalnu otpornost na plamen i nisku kompresiju. Silikonska pjena preporučuje se za module za pohranu energije velikog kapaciteta s jakom silom širenja.
(2) EVA pjena
EVA pjena često se može vidjeti u svakodnevnim proizvodima kao što su potplati papuča. Korisnici mogu primijetiti njegov očiti nedostatak: petni dio se trajno spljošti nakon dugotrajne-upotrebe, što ukazuje na visoku kompresiju EVA. EVA pjena je niska-cijena i uglavnom se primjenjuje između modula prizmatičnih ćelija.
(3) CR pjena
CR pjena, puni naziv Chloroprene Rubber Foam, u skladu je s UL94 V-0 certifikatom za usporavanje plamena i RoHS ekološkim standardima. Značajke: mala gustoća, lagan, niska tvrdoća, visoka kompresibilnost, izvrsna toplinska izolacija i otpornost na plamen, vrhunska otpornost i dug životni vijek.
(4) PU pjena
PU se odnosi na kopolimere koji se sastoje od bezbrojnih mikro{0}}pora i okvira od poliuretanske smole, uključujući poliureu i modificirani poliuretan. PU pruža nešto slabiju otpornost na kompresiju i uglavnom se koristi između modula ćelija vrećice. Značajke: porozna struktura, niska gustoća, visoka specifična čvrstoća, dobar odskok i propusnost zraka, nizak gubitak histereze, visok omjer kompresijskog opterećenja, dobra otpornost na plamen i izvanredna otpornost na toplinsko starenje, starenje zbog vlage i dinamički zamor.
(5) MPP pjena
MPP je porozni pjenasti polipropilenski (PP) materijal proizveden tehnologijom čistog superkritičnog ugljičnog dioksida za stvaranje brojnih mjehurića veličine mikrona- unutar podloge. MPP zadovoljava RoHS i REACH standarde i naširoko se primjenjuje u novoj energetskoj industriji. Značajke: lagana, velika čvrstoća, učinkovita apsorpcija energije udarca, odlična otpornost na plamen i toplinu.
(6) Aerogel
Gornji materijali su elastični supstrati prvenstveno dizajnirani da apsorbiraju silu širenja stanica. Aerogel je još jedan široko prihvaćen međustanični materijal usmjeren na toplinsku izolaciju i otpornost na plamen; također posjeduje pristojnu kompresibilnost za pružanje umjerenih performansi međuspremnika. Na primjer, pod opterećenjem od približno 200 kgf na modulu 1P13S, sloj aerogela debljine 2,0 mm stisne se do otprilike 1,5 mm.
Toplinsko izolacijske ploče od aerogela su kompozitni materijali izrađeni od silika aerogela i supstrata od keramičkih vlakana. Imaju nisku gustoću, visoku poroznost, otpornost na visoke temperature i nisku toplinsku vodljivost, što učinkovito blokira širenje topline između stanica tijekom toplinskog odlaska.
