Az energia- és energiatároló akkumulátorcsomagokat cellák soros és párhuzamos kapcsolásával állítják össze, de a cellák nem érintkeznek közvetlenül egymással. A lítium-ion cellák térfogatnövekedésen mennek keresztül a töltés és kisütés során, ezért pufferanyagokat kell elhelyezni a cellák között, hogy elnyeljék a mechanikai feszültséget. Jelenleg a habanyagokat széles körben alkalmazzák a dinamikus pufferelés és a statikus alátámasztási követelmények kielégítésére.
01 A lítium{1}}ion akkumulátormodulok duzzadási jelensége
A lítium{0}}ionos akkumulátorokat élénken hívják „hintaszék akkumulátorainak”: a potenciálkülönbség hatására a lítium-ionok ide-oda ingáznak a katódok és az anódok között, hogy tárolják és felszabadítsák az elektromos energiát.
Mindazonáltal a Li⁺ interkalációja és deinterkalációja a katód és anód aktív anyagokba és azokból kifelé a hatóanyagok térfogatának bővülését okozza. Az ilyen duzzanat két kategóriába sorolható: reverzibilis duzzanat és visszafordíthatatlan duzzanat. A visszafordíthatatlan duzzanat folyamatosan halmozódik fel, ahogy a töltési{2}}kisülési ciklusok növekednek.
A sejtek duzzadásának három alapvető oka van: elektrokémiai duzzanat, gázképződés duzzanat és hőmérsékleti hatások.
Az epoxi táblákat általában pufferanyagként használják az ólom-savas akkumulátorok között kétkerekű- elektromos járművekhez. Az epoxi táblák azonban nagy törékenységgel és nulla rugalmassággal rendelkeznek, nem veszik fel a cella tágulási erejét. Ezért rendkívül alacsony költségük ellenére alkalmatlanok pufferanyagként lítium-ion akkumulátorokhoz.
A szilícium-anód lítium-ion akkumulátorok drasztikusan nagyobb energiasűrűséget biztosítanak a szén-anód társaikhoz képest, ami hatékony megközelítést jelent az akkumulátor energiasűrűségének további növelésére. Ám túlzott duzzadási sebességük (vastagságuk 15–30%-kal növekszik 100 ciklus után) már régóta gátolja a nagyszabású{7}}kereskedelmi alkalmazást.
02 A pufferanyagok főbb típusai
A celladuzzadás az akkumulátorok teljes élettartama során velejáró jellemző. A duzzanat okozta káros hatások enyhítése kritikussá válik az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása szempontjából.
Az irreverzibilis sejtduzzadás megfelelő pufferelésének elmulasztása tovább gyorsítja a kapacitás leépülését.
A lítium{0}}ionsejtek duzzadására vonatkozó négy alapvető szabály:
Térbeli eloszlás: A tágulási erő a központi zónában nagyobb, mint a széleken.
Kapacitás-korreláció: A nagyobb cellakapacitás nagyobb duzzadási sebességnek felel meg (az energiatároló cellák általában nagy kapacitásúak).
Sejtkémia: A hármas sejtek erősebben duzzadnak, mint az LFP sejtek. Az NCM811 sejtek 6–8%-os duzzadási arányt érnek el, míg az LFP sejtek csak 3–5%-ot. Általában a nagyobb energiasűrűségű sejtek nagyobb duzzadási arányt mutatnak.
Ciklusszám: A töltési{0}}kisülési ciklusok növekedésével visszafordíthatatlan duzzanat halmozódik fel, ami nagyobb általános sejttáguláshoz vezet.
A pufferanyagok ezért a modulok nélkülözhetetlen alkotóelemei, amelyek három alapvető funkciót látnak el: nyomáselosztás, elmozdulás kompenzáció, hőszigetelés és égésgátlás.
(1) Szilikonhab
Az alap szilikongyanta sűrűsége 1,17 g/cm³; habzás után a sűrűség 0,16-0,20 g/cm³-re csökken. UL94-V0 függőleges lángállóságot és alacsony kompressziót ér el. A szilikonhab nagy kapacitású, erős tágulási erővel rendelkező energiatároló modulokhoz ajánlott.
(2) EVA hab
Az EVA hab széles körben megtalálható a mindennapi termékekben, például a papucstalpban. A felhasználók észrevehetik ennek nyilvánvaló hátrányát: a sarokrész hosszantartó-használat után tartósan lelapul, ami az EVA erős kompressziós készletére utal. Az EVA hab alacsony-költségű, és főleg prizmatikus cellamodulok között alkalmazzák.
(3) CR hab
CR hab, teljes nevén Chloroprene Rubber Foam, megfelel az UL94 V-0 égésgátló tanúsítványnak és az RoHS környezetvédelmi szabványoknak. Jellemzők: alacsony sűrűség, könnyű súly, alacsony keménység, nagy összenyomhatóság, kiváló hőszigetelés és égésgátlás, kiváló rugalmasság és hosszú élettartam.
(4) PU hab
A PU olyan kopolimerekre vonatkozik, amelyek számtalan mikro-pórusból és poliuretángyanta vázból állnak, beleértve a polikarbamidot és a módosított poliuretánt. A PU kissé gyengébb kompressziós rugalmasságot biztosít, és többnyire tasakcella-modulok között használják. Jellemzők: porózus szerkezet, alacsony sűrűség, nagy fajlagos szilárdság, megfelelő visszapattanás és légáteresztő képesség, alacsony hiszterézis veszteség, nagy kompressziós terhelési arány, jó lángállóság, valamint kiemelkedő hőállóság, nedvesség okozta öregedés és dinamikus kifáradás.
(5) MPP hab
Az MPP egy porózus habosított polipropilén (PP) anyag, amelyet tiszta szuperkritikus szén-dioxid technológiával állítanak elő, hogy számos mikron{0}}méretű buborékot hozzon létre a hordozó belsejében. Az MPP megfelel a RoHS és REACH szabványoknak, és széles körben alkalmazzák az új energiaiparban. Jellemzők: könnyű, nagy szilárdságú, hatékony ütési energiaelnyelés, kiváló lángállóság és hőállóság.
(6) Airgel
A fenti anyagok rugalmas szubsztrátumok, amelyeket elsősorban a sejttágulási erő elnyelésére terveztek. Az Airgel egy másik, széles körben elterjedt sejtközi anyag, amely a hőszigetelésre és az égésgátlásra összpontosít; megfelelő tömörítési képességgel is rendelkezik, hogy mérsékelt pufferelési teljesítményt nyújtson. Például egy 1P13S modulon körülbelül 200 kgf terhelés alatt egy 2,0 mm vastag aerogéllemez nagyjából 1,5 mm-re présel össze.
Az Airgel hőszigetelő lapok szilika aerogélből és kerámiaszálas hordozókból készült kompozit anyagok. Alacsony sűrűségű, nagy porozitású, magas hőmérséklet-állósággal és alacsony hővezető képességgel rendelkeznek, amelyek hatékonyan blokkolják a hőterjedést a cellák között a hőkifutás során.
