Diseño y análisis de componentes estructurales de células prismáticas

一. Descripción general de los componentes estructurales de células prismáticas
Los componentes estructurales de células prismáticas juegan un papel crucial en las baterías de litio. Principalmente sirven funciones como transmisión de energía, contención de electrolitos, protección de seguridad, soporte y fijación de la batería, y decoración exterior. Estos componentes afectan directamente la seguridad, el rendimiento del sellado y la eficiencia de utilización de energía de las baterías de litio.

Según los datos relevantes, el tamaño del mercado de los componentes estructurales de la batería de litio en China alcanzó los 33.8 mil millones de yuanes en 2022, lo que representa un crecimiento interanual del 93.2%. Entre ellos, los componentes estructurales de la batería prismática han ocupado durante mucho tiempo la mayoría del mercado de componentes estructurales, con una cuota de mercado tan alta como 90.7%, mientras que los componentes estructurales de la batería cilíndrica representan solo el 9.3%. Este dominio se debe principalmente al rápido desarrollo del nuevo mercado de vehículos energéticos de China, impulsado por un fuerte apoyo de políticas gubernamentales. La capacidad de producción de los fabricantes de baterías y el número de celdas por pedido han aumentado significativamente, y las baterías prismáticas son más adecuadas para satisfacer las demandas de producción a gran escala.

Los componentes estructurales de las células prismáticas generalmente se componen de una carcasa y una placa de cubierta. El proceso de fabricación de concha es relativamente simple, principalmente utilizando procesos de dibujo profundos continuos, y generalmente está hecho de acero o aluminio. Ofrece alta resistencia estructural y fuerte resistencia a las cargas mecánicas. En contraste, el proceso de fabricación de la placa de cobertura suele ser mucho más complejo que el de la carcasa. Sus funciones principales incluyen la fijación/sellado, la conducción de corriente, el alivio de la presión, la protección del fusible y la reducción de la corrosión eléctrica. Por ejemplo, la cubierta superior está soldada con láser a la cubierta de aluminio para encapsular y asegurar la celda desnuda al tiempo que garantiza una estructura sellada. Las terminales, las barras colectivas y las pestañas de la cubierta de la cubierta superior se soldan para garantizar la conducción adecuada de la corriente de carga y descarga. Cuando la batería encuentra una situación anormal y la presión interna aumenta, la válvula de seguridad de la cubierta superior se abre para liberar la presión, reduciendo el riesgo de explosión.

Los componentes estructurales de las células prismáticas juegan un papel indispensable en las baterías de litio, y sus perspectivas de mercado se están volviendo cada vez más amplias con el desarrollo de los nuevos mercados de almacenamiento de energía y vehículos energéticos.

2. Tipos y funciones de componentes estructurales

(a) caparazón
Como un componente crucial de los componentes estructurales de células prismáticas, la cubierta desempeña papeles clave en la fijación, protección, sellado y disipación de calor. Sirve como una barrera entre los materiales activos dentro de la célula y el entorno externo a lo largo de todo su ciclo de vida, proporcionando estabilidad estructural al sistema electroquímico interno y asegurando que la célula mantenga una estructura estable en diversas condiciones.

En términos de protección, la carcasa puede soportar ciertas cargas mecánicas, evitando que los impactos externos dañen la celda. Su función de sellado asegura que el electrolito no se filtre, manteniendo el estado de funcionamiento normal de la batería. Además, la carcasa ayuda a la disipación de calor al liberar el calor generado durante el funcionamiento de la batería, mejorando así la seguridad de la batería y extendiendo su vida útil.

El proceso de producción de la carcasa incluye principalmente la reducción de materias primas, el dibujo profundo continuo de precisión, el corte, la limpieza, el secado e inspección. Entre estos, la tecnología de dibujo profundo continuo de precisión es el aspecto más desafiante de la producción de shell. Durante este proceso, es esencial garantizar un grosor de la pared uniforme y prevenir fracturas.

En comparación con el estampado convencional de un solo paso, el dibujo profundo continuo de precisión es más difícil. Sus barreras centrales se encuentran en los moldes y el equipo de dibujo. Los moldes de alta calidad y los equipos de dibujo avanzados son críticos para garantizar la precisión dimensional y la estabilidad de rendimiento de la carcasa.

(b) Placa de cubierta
La placa de cobertura juega un papel crucial en los componentes estructurales de células prismáticas, proporcionando funciones como conexión, aislamiento, sellado y protección de explosión.

La tapa de acero se encuentra en la parte superior de la placa de cubierta y tiene una alta resistencia, lo que la hace resistente a la deformación bajo fuerzas externas. Sirve para proteger la hoja de aluminio a prueba de explosión y también es un componente para conectar baterías en el paquete. El anillo de sellado se encuentra en el borde más externo de la placa de cubierta, aislando las partes metálicas internas de la tapa combinada de la carcasa de acero de la batería. Proporciona aislamiento para evitar cortocircuitos internos y también garantiza el sellado después de que la batería esté sellada.

El componente a prueba de explosión se usa principalmente para el corte de energía y el alivio de la presión durante la sobrecarga de la batería para evitar una explosión causada por una presión interna excesiva. Consiste en un anillo de aislamiento, una hoja de aluminio a prueba de explosión y una lámina de aluminio de conexión. La lámina de aluminio a prueba de explosión se encuentra en el medio de la placa de cubierta y es el componente central que determina el corte del circuito y la liberación de presión crítica. Cuando la presión interna de la batería alcanza un cierto valor, estalla automáticamente para liberar la presión, asegurando la seguridad de la batería. La lámina de aluminio de conexión se encuentra en la parte inferior de la placa de cubierta y está conectada a la hoja de aluminio a prueba de explosión mediante soldadura por láser. En caso de una situación peligrosa, se desconecta de la hoja de aluminio a prueba de explosión. El anillo de aislamiento se encuentra en la conexión entre la lámina de aluminio de conexión y la hoja de aluminio a prueba de explosión, proporcionando aislamiento y aislamiento.

El proceso de producción de la placa de cobertura es más complejo que el de la carcasa e incluye principalmente moldeo de estampado e inyección, inspección de componentes, pegado, inmersión de asfalto, envoltura y conformación de bordes, soldadura por puntos, conjunto de componentes, soldadura por puntos, ensamblaje final e inspección antes del almacenamiento. Las etapas de prueba incluyen pruebas de presión a prueba de explosión, pruebas de fuga de helio, pruebas de resistencia interna y pruebas de resistencia. Las etapas más desafiantes en el proceso de producción son las piezas de estampado y soldadura, que incluyen estampado de tapa de acero, estampado de lámina de aluminio a prueba de explosión, estampado de lámina de aluminio, estampado de anillo de sellado, estampado de anillo de aislamiento, soldadura por fricción durante la instalación terminal y soldadura por láser durante el ensamblaje.

(c) Placa de conexión del módulo de batería

La placa de conexión del módulo de batería juega un papel importante en la conexión de los componentes del módulo de batería de alimentación. Se fabrica principalmente con materiales compuestos de múltiples capas, con una capa que actúa como la capa de conexión entre el conector y el terminal para garantizar un buen rendimiento de soldadura. El apilamiento de material de múltiples capas garantiza la conductividad eléctrica de la placa de conexión. Después de procesar la placa base con múltiples capas de lámina, forma un área flexible para compensar el desplazamiento causado por la expansión de la celda de la batería de potencia, reduciendo el impacto en las interfaces de baja resistencia. Los conectores para módulos de batería de potencia generalmente están en formas rectangulares, trapezoidales, triangulares o escalonadas. La superficie de conexión está recubierta con 0. Foil de cobre chapado en níquel de 1 mm de espesor, que es propenso a la oxidación y la decoloración a altas temperaturas durante la soldadura, lo que requiere pulido y limpieza sin dañar el recubrimiento superficial.

3. Análisis de casos de diseño

(a) Diseño de una nueva válvula a prueba de explosión

En un nuevo tipo de estructura celular prismática, la válvula a prueba de explosión se coloca en el lado opuesto de los electrodos positivos y negativos, frente al suelo. Este diseño ofrece varias ventajas. En primer lugar, con este diseño, el espacio superior de la celda no necesita reservar espacio para la válvula a prueba de explosión, ahorrando en gran medida el espacio interno en la cubierta de la celda. Según los datos de investigación relevantes, este diseño puede aumentar la densidad de energía volumétrica en aproximadamente [x]%. En segundo lugar, en aplicaciones prácticas, si el producto experimenta fugitivo térmico debido a la temperatura excesiva, la válvula a prueba de explosión se romperá sin representar un peligro para la cabina y los ocupantes de la cabina, eliminando efectivamente los riesgos de seguridad personal.

Por ejemplo, en aplicaciones prácticas en nuevos vehículos de energía, esta nueva estructura celular prismática proporciona una mayor garantía de seguridad para los pasajeros.

(b) Diseño integrado
En algunos casos de fabricación de estructuras celulares prismáticas, la placa de enfriamiento líquida, la barra colectora y el arnés de muestreo están diseñados de manera integrada. Este diseño tiene ventajas significativas. Por un lado, la placa de enfriamiento de líquido reduce rápidamente la temperatura de la celda, asegurando que la celda funcione dentro de un rango de temperatura óptimo, mejorando así el rendimiento de la celda y la vida útil. Por ejemplo, en las pruebas prácticas, las células prismáticas con placas de enfriamiento líquidas integradas pudieron reducir su temperatura en [x] grado en una operación continua de alta carga en comparación con los diseños tradicionales. Por otro lado, el diseño integrado reduce el número de componentes, simplifica el proceso de ensamblaje y mejora la eficiencia de producción. Al mismo tiempo, el diseño integrado ayuda a reducir los costos generales y mejora la competitividad del mercado del producto.

(c) Estructura completa de ensamblaje de pestañas
El diseño del clip de primavera en la estructura de celda prismática de pestaña completa es único. El clip de resorte consiste en una primera placa plana y una segunda placa plana, formando una estructura en forma de V hecha de metal elástico. Este diseño tiene ventajas significativas en la conexión de las pestañas y la placa de cubierta. En primer lugar, el clip de resorte elástico en forma de V utiliza su propia fuerza de rebote para presionar tanto contra la placa de cubierta como las superficies de las pestañas, logrando una conexión eléctrica. La fuerza elástica también mejora la conductividad de contacto entre las interfaces. Mientras exista la fuerza elástica, la conductividad permanecerá, eliminando la necesidad de conexiones soldadas y reduciendo la dificultad de ensamblaje. En segundo lugar, el área de sección transversal conductiva del clip de primavera depende del área de sección transversal de la conexión entre las placas planas de primera y segunda, que es más grande que la conexión formada por las barras y soldaduras convencionales. Por ejemplo, en las pruebas prácticas, las células prismáticas conectadas con clips de resorte exhibieron una mayor capacidad de sobrecorriente que aquellos que usan métodos de soldadura tradicionales, mejorando en [x]%.

(d) Diseño de estructura fija
La estructura fija para las celdas prismáticas y el método de fabricación de la carcasa del módulo de batería tienen un alto valor práctico. El diseño incluye la combinación del chasis de la batería, la tapa fija superior y las correas de embalaje. El chasis de la batería tiene una primera ranura de fijación de batería que se adapta al fondo de la celda prismática, sujetando de forma segura la parte inferior de la celda. La tapa fija superior tiene una segunda ranura de fijación de batería que se adapta a la parte superior de la celda prismática, sujetando de forma segura la parte superior de la celda. Finalmente, la correa de embalaje está instalada sobre el chasis de la batería y la tapa superior fija para formar una sola estructura de fijación de la batería. Además, la carcasa del módulo de batería está equipada con componentes anti-Slip y una placa de fijación de partición superior. Los componentes anti-Slip incluyen rieles de guía en ambos lados de la carcasa interna de la carcasa del módulo de la batería y limitan las costillas en la parte inferior de la carcasa, que ayudan a limitar la posición de cada paquete de batería, evitando el agitación. La placa de fijación de la partición superior se puede conectar desmontablemente a la carcasa exterior de la carcasa del módulo de la batería, presionando y arreglando la parte superior de múltiples paquetes de baterías. Este diseño mejora la seguridad de la fijación de las celdas prismáticas y proporciona una protección confiable para aplicaciones de caja de batería de almacenamiento de energía.

4. Resumen de puntos clave de diseño

Los puntos clave de diseño de los componentes estructurales de células prismáticas son numerosos, y estos puntos juegan un papel crucial en la mejora de la seguridad y el rendimiento de las baterías de litio.

(a) Diseño de sellado de puerto de inyección de líquido
El diseño de sellado del puerto de inyección de líquido está directamente relacionado con la seguridad y la vida útil de la batería. El tapón de sellado del puerto de inyección de líquido diseñado por CATL consiste en una pieza de metal y una parte de goma, con un ajuste de interferencia en el punto de contacto con el orificio de inyección. El orificio de inyección también cuenta con un receso, y la parte de goma del tapón de sellado está diseñada con una protuberancia que puede participar en el receso. Este diseño permite el ensamblaje de enfriamiento a bajas temperaturas, evitando efectivamente la formación de rebabas y partículas de metal, asegurando un sellado confiable del puerto de inyección de líquido. Al mismo tiempo, la parte de goma evita que las rebabas de metal y las partículas caigan en la cubierta de la batería, asegurando la seguridad de la batería. La estructura de sellado mecánico no requiere soldadura por láser, simplificando el proceso y reduciendo significativamente los costos.

(b) Diseño terminal positivo y negativo

El terminal positivo generalmente está hecho de aluminio, mientras que el terminal negativo está hecho de un compuesto de aluminio de cobre. Su función principal es realizar la corriente. En la batería, el terminal de cubierta superior, la barra colectora y las pestañas celulares se soldan juntas para garantizar que la corriente pase a través de la celda para cargar y descargar. En el módulo, el terminal de cubierta superior está soldada con láser y atornillada a la barra colectiva, formando conexiones series/paralelas. Además, conectar directamente la cubierta de aluminio y el terminal positivo puede eliminar la diferencia de potencial entre los dos, evitando la corrosión de la cubierta de aluminio.

(c) Aumento de la resistencia terminal positiva
La resistencia entre el terminal positivo y la cubierta de aluminio es muy pequeña, en el nivel de Milliohm. Cuando se produce un cortocircuito, la corriente de bucle es grande, y esto puede causar chispas, lo que puede provocar un incendio en la batería, lo que representa un peligro de seguridad significativo. Actualmente, el plástico conductor o el carburo de silicio a menudo se agrega entre la placa de cubierta superior de la cubierta de aluminio y el terminal positivo para aumentar la resistencia conductora entre la cubierta de aluminio y el terminal positivo. CATL también ha diseñado un termistor PTC entre el terminal positivo y la placa de cubierta superior. Al utilizar la característica del termistor de cambiar la resistencia con la temperatura, el termistor PTC puede consumir rápidamente la energía interna cuando la batería de potencia experimenta un cortocircuito externo, evitando que el choque térmico sea excesivo de calor en la resistencia. Esto elimina el problema de la baja resistencia que causa fusión al tiempo que evita problemas como el incendio de la batería o la fusión de la resistencia debido a la temperatura excesiva.

(d) Diseño de placa a prueba de explosión y de inversión
En general, la cubierta superior de las baterías de fosfato de hierro de litio utiliza una sola válvula a prueba de explosión, con una presión de apertura de 0. 4 0. 8 MPa. Cuando la presión interna aumenta y excede la presión de apertura de la válvula a prueba de explosión, la válvula se romperá en la muesca y se abrirá a la presión de liberación. Para los sistemas de batería ternaria, además de la válvula a prueba de explosión, también se utiliza un diseño de combinación de placa de inversión SSD. La presión de apertura de la válvula a prueba de explosión y la presión de inversión de la placa SSD son típicamente {{1 0}}. 751.05 MPa y 0.45 ~ 0.5 MPa, respectivamente. Cuando la presión interna de la batería aumenta a la presión de reversión de SSD, la placa de inversión se empuja hacia arriba, cortando rápidamente la corriente. Simultáneamente, el fusible de la placa de conexión de aluminio sopla, causando un cortocircuito directo entre los terminales positivos y negativos de la cubierta superior, cortando rápidamente la corriente.

Los puntos clave de diseño de los componentes estructurales de células prismáticas cubren varios aspectos, incluido el sellado del puerto de inyección de líquidos, el diseño terminal positivo y negativo, el aumento de la resistencia del terminal positivo y el diseño de placas a prueba de explosión y de inversión. Estos elementos de diseño funcionan juntos para mejorar la seguridad y el rendimiento de las baterías de litio, proporcionando un sólido soporte técnico para el desarrollo de los nuevos mercados de almacenamiento de vehículos y energía de energía.