Батерийните пакети за захранване и съхранение на енергия се сглобяват чрез последователно и паралелно свързване на клетки, но клетките не са в пряк контакт една с друга. Литиево-йонните клетки претърпяват обемно разширяване по време на зареждане и разреждане, така че буферните материали трябва да бъдат разположени между клетките, за да поемат механичното напрежение. Понастоящем материалите от пяна са широко разпространени, за да задоволят изискванията както за динамично буфериране, така и за статична поддръжка.
01 Феномен на подуване на литиево-батерийни модули
Литиево-йонните батерии са ярко наречени „батерии на люлеещ се стол“: задвижвани от потенциалната разлика, литиевите йони се движат напред-назад между катодите и анодите, за да съхраняват и освобождават електрическа енергия.
Независимо от това, интеркалирането и деинтеркалирането на Li⁺ във и извън активните материали на катода и анода причинява обемно разширяване на активните вещества. Такова подуване попада в две категории: обратимо подуване и необратимо подуване. Необратимото подуване се натрупва непрекъснато с увеличаване на циклите на зареждане-разреждане.
Има три основни причини за подуване на клетките: електрохимично подуване, подуване при генериране на газ и температурни ефекти.
Епоксидните плоскости обикновено се използват като буферни материали между оловни{0}}киселинни батерии за двуколесни електрически превозни средства. Въпреки това, епоксидните плоскости се характеризират с висока крехкост и нулева устойчивост, като не успяват да поемат силата на разширяване на клетките. Поради това те са неподходящи като буферни материали за литиево-йонни батерийни пакети въпреки ултра-ниската им цена.
Литиево-йонните-анодни батерии със силициев-анод осигуряват драстично по-висока енергийна плътност в сравнение с аналоговете с въглероден-анод, което представлява ефективен подход за допълнително повишаване на енергийната плътност на батерията. И все пак тяхната прекомерна скорост на набъбване (дебелината нараства с 15%–30% след 100 цикъла) дълго време възпрепятства широкомащабното-комерсиално приложение.
02 Основни видове буферни материали
Подуването на клетките е присъща характеристика през целия експлоатационен живот на батериите. Намаляването на неблагоприятните въздействия, причинени от подуване, става критично за удължаване на живота на батерията.
Неуспехът да се буферира адекватно необратимото подуване на клетките допълнително ще ускори деградацията на капацитета.
Четири основни правила, регулиращи подуването на литиево-йонните клетки:
Пространствено разпределение: Силата на разширяване в централната зона е по-голяма от тази в краищата.
Корелация на капацитета: По-големият капацитет на клетката съответства на по-висока скорост на набъбване (клетките за съхранение на енергия обикновено имат голям капацитет).
Клетъчна химия: Тройните клетки набъбват по-силно от LFP клетките. NCM811 клетките достигат степен на набъбване от 6%–8%, докато LFP клетките достигат само 3%–5%. Като цяло клетките с по-висока енергийна плътност показват по-високи скорости на набъбване.
Брой цикли: Необратимото подуване се натрупва с увеличаване на циклите на зареждане-разреждане, което води до по-голямо общо разширяване на клетките.
Следователно буферните материали са незаменими компоненти за модули, изпълняващи три основни функции: разпределение на налягането, компенсация на изместване, топлоизолация и забавяне на горенето.
(1) Силиконова пяна
Основната силиконова смола е с плътност 1,17 g/cm³; след разпенване плътността пада до 0,16–0,20 g/cm³. Постига UL94-V0 вертикално забавяне на пламъка и ниска компресия. Силиконовата пяна се препоръчва за модули за съхранение на енергия с голям капацитет и силна сила на разширяване.
(2) EVA пяна
EVA пяната се среща широко в ежедневни продукти като подметки за чехли. Потребителите може да забележат очевидния му недостатък: частта на петата претърпява трайно сплескване след дълго-продължителна употреба, което показва висока степен на компресия на EVA. EVA пяната е с ниска-цена и се прилага главно между модулите с призматични клетки.
(3) CR пяна
CR пяна, пълно име Chloroprene Rubber Foam, отговаря на UL94 V-0 сертификат за забавяне на горенето и RoHS екологични стандарти. Характеристики: ниска плътност, леко тегло, ниска твърдост, висока компресивност, отлична топлоизолация и забавяне на горенето, превъзходна устойчивост и дълъг експлоатационен живот.
(4) PU пяна
PU се отнася за съполимери, съставени от безброй микро{0}}пори и рамки от полиуретанова смола, включително полиурея и модифициран полиуретан. PU осигурява малко по-ниска устойчивост на натиск и се използва най-вече между модулите на торбичките. Характеристики: пореста структура, ниска плътност, висока специфична якост, приличен отскок и пропускливост на въздуха, ниска загуба на хистерезис, високо съотношение на натоварване при компресия, добра устойчивост на пламък и изключителна устойчивост на термично стареене, стареене на влажност и динамична умора.
(5) MPP пяна
MPP е порест разпенен полипропилен (PP) материал, произведен чрез технология за чист суперкритичен въглероден диоксид, за генериране на многобройни мехурчета с микрон-размер вътре в субстрата. MPP отговаря на стандартите RoHS и REACH и се прилага широко в новата енергийна индустрия. Характеристики: лек, висока якост, ефективно поглъщане на енергията на удара, отлично забавяне на горенето и устойчивост на топлина.
(6) Аерогел
Горните материали са еластични субстрати, предназначени основно да абсорбират силата на разширяване на клетката. Аерогелът е друг широко възприет между-клетъчен материал, фокусиран върху топлоизолацията и забавянето на горенето; той също така притежава прилична компресивност, за да осигури умерена производителност на буфериране. Например, при натоварване от приблизително 200 kgf върху модул 1P13S, лист аерогел с дебелина 2,0 mm се компресира до приблизително 1,5 mm.
Аерогелните топлоизолационни листове са композитни материали, изработени от силициев аерогел и субстрати от керамични влакна. Те се отличават с ниска плътност, висока порьозност, устойчивост на висока температура и ниска топлопроводимост, които ефективно блокират разпространението на топлината между клетките по време на топлинно бягане.
