Design och analys av prismatiska cellstrukturkomponenter

一. Översikt över prismatiska cellstrukturkomponenter
Prismatiska cellstrukturkomponenter spelar en avgörande roll i litiumbatterier. De tjänar främst funktioner som energiöverföring, elektrolytinneslutning, säkerhetsskydd, batteristöd och fixering och yttre dekoration. Dessa komponenter påverkar direkt säkerhets-, tätningsprestanda och energianvändningseffektivitet för litiumbatterier.

Enligt relevanta uppgifter nådde marknadsstorleken för litiumbatteriets strukturella komponenter i Kina 33,8 miljarder yuan 2022, vilket motsvarar en tillväxt från år till år på 93,2%. Bland dem har Prismatic Battery -strukturella komponenter länge ockuperat majoriteten av den strukturella komponentmarknaden, med en marknadsandel så hög som 90,7%, medan cylindriska batteritrukturella komponenter står för endast 9,3%. Denna dominans beror främst på den snabba utvecklingen av Kinas nya energifordonsmarknad, drivet av starkt statligt politiskt stöd. Produktionskapaciteten för batteritillverkare och antalet celler per ordning har ökat avsevärt, och prismatiska batterier är bättre lämpade för att möta kraven på storskalig produktion.

Prismatiska cellstrukturkomponenter består vanligtvis av ett skal och en täckplatta. Skaltillverkningsprocessen är relativt enkel, främst med kontinuerliga djupa ritningsprocesser och är vanligtvis tillverkad av stål eller aluminium. Det erbjuder hög strukturell styrka och stark motstånd mot mekaniska belastningar. Däremot är tillverkningsprocessen för täckplattan vanligtvis mycket mer komplex än skalet. Dess huvudfunktioner inkluderar fixering/tätning, aktuell ledning, tryckavlastning, säkringsskydd och minskning av elektrisk korrosion. Till exempel är toppskyddet lasersvetsat till aluminiumskalet för att kapsla in och säkra den nakna cellen samtidigt som man säkerställer en förseglad struktur. Topplockets terminaler, samlingar och cellflikar är svetsade för att säkerställa korrekt laddning och utloppsström. När batteriet möter en onormal situation och det inre trycket ökar öppnas toppskyddets säkerhetsventil för att frigöra tryck, vilket minskar risken för explosion.

Prismatiska cellstrukturkomponenter spelar en oumbärlig roll i litiumbatterier, och deras marknadsutsikter blir allt bredare med utvecklingen av de nya energifordonet och energilagringsmarknaderna.

2. Typer och funktioner för strukturella komponenter

(a) Skal
Som en avgörande komponent i prismatiska cellstrukturkomponenter spelar skalet nyckelroller i fixering, skydd, tätning och värmeavledning. Det fungerar som en barriär mellan de aktiva materialen inuti cellen och den yttre miljön under hela sin livscykel, vilket ger strukturell stabilitet till det inre elektrokemiska systemet och säkerställer att cellen upprätthåller en stabil struktur under olika förhållanden.

När det gäller skydd kan skalet motstå vissa mekaniska belastningar och förhindra yttre effekter från att skada cellen. Dess tätningsfunktion säkerställer att elektrolyten inte läcker och bibehåller batteriets normala driftstillstånd. Dessutom hjälper skalet i värmeavledning genom att släppa värme som genereras under batteridrift, och därmed förbättra batteriets säkerhet och förlänga livslängden.

Produktionsprocessen för skalet inkluderar huvudsakligen råmaterialslitning, precisionskontinuerlig djup ritning, skärning, rengöring, torkning och inspektion. Bland dessa är precisionskontinuerlig djup ritningsteknologi den mest utmanande aspekten av skalproduktionen. Under denna process är det viktigt att säkerställa enhetlig väggtjocklek och förhindra frakturer.

Jämfört med konventionell enstegsstämpel är precisionskontinuerlig djup ritning svårare. Dess kärnbarriärer ligger i formarna och ritningsutrustningen. Högkvalitativa formar och avancerad ritningsutrustning är avgörande för att säkerställa dimensionell noggrannhet och prestandasstabilitet hos skalet.

(b) täckplatta
Täckplattan spelar en avgörande roll i prismatiska cellstrukturkomponenter, vilket ger funktioner som anslutning, isolering, tätning och explosionsskydd.

Stållocket är beläget högst upp på täckplattan och har en hög styrka, vilket gör det motståndskraftigt mot deformation under yttre krafter. Det tjänar till att skydda explosionssäkra aluminiumark och är också en komponent för att ansluta batterier i förpackningen. Tätningsringen är belägen på den yttersta kanten på täckplattan och isolerar de inre metalldelarna på det kombinerade locket från batteriets stålskal. Det ger isolering för att förhindra inre kortslutningar och säkerställer också tätning efter att batteriet är förseglat.

Den explosionssäkra komponenten används främst för kraftavbrott och tryckavlastning under överbelastning av batteri för att förhindra en explosion orsakad av överdrivet internt tryck. Den består av en isoleringsring, explosionssäker aluminiumark och anslutning av aluminiumark. Explosionssäkert aluminiumark är beläget mitt i täckplattan och är kärnkomponenten som bestämmer kretsavbrottet och frisättningen av kritiskt tryck. När batteriets inre tryck når ett visst värde spricker det automatiskt för att frigöra trycket, vilket säkerställer batteriets säkerhet. Det anslutande aluminiumarket är beläget längst ner på täckplattan och är ansluten till det explosionssäkra aluminiumarket genom lasersvetsning. I händelse av en farlig situation kopplas den från explosionssäkert aluminiumark. Isoleringsringen är belägen vid anslutningen mellan det anslutande aluminiumarket och det explosionssäkra aluminiumarket, vilket ger isolering och isolering.

Produktionsprocessen för täckplattan är mer komplex än skalet och inkluderar huvudsakligen stämpel- och injektionsgjutning, komponentinspektion, limning, asfalt nedsänkning, kantinpackning och formning, fläcksvetsning, komponentmontering, spotsvetsning, slutmontering och inspektion före lagring. Teststegen inkluderar explosionssäker trycktestning, heliumläcktestning, interna resistensprovning och resistensprovning. De mer utmanande stadierna i produktionsprocessen är stämplings- och svetsdelarna, inklusive stämpelpekning, explosionssäker aluminiumplåtstämpel, anslutning av aluminiumplåtstämpel, tätningsringsstämpel, isoleringsring stämpel, friktionssvetsning under terminalinstallation och lasersvetsning under montering.

(c) Batterimodulanslutningsplatta

Batterimodulanslutningsplattan spelar en viktig roll för att ansluta komponenterna i kraftbatterimodulen. Det är mestadels tillverkat med hjälp av multilagerkompositmaterial, med ett lager som fungerar som anslutningsskiktet mellan kontakten och terminalen för att säkerställa god svetsprestanda. Multi-lagers materialstapling säkerställer anslutningsplattans elektriska konduktivitet. Efter bearbetning av basplattan med flera folielager bildar den ett flexibelt område för att kompensera för förskjutning orsakad av utvidgningen av kraftbattericellen, vilket minskar påverkan på lågstyrka gränssnitt. Anslutningarna för kraftbatterimoduler är i allmänhet i rektangulära, trapezoidala, triangulära eller stegade former. Anslutningsytan är belagd med 0. 1 mm tjock nickelpläterad kopparfolie, som är benägen att oxidation och missfärgning vid höga temperaturer under svetsning, vilket kräver polering och rengöring utan att skada ytbeläggningen.

3. Designfallsanalys

(a) Design av den nya explosionssäkra ventilen

I en ny typ av prismatisk cellstruktur är explosionssäker ventil placerad på motsatt sida av de positiva och negativa elektroderna, mot marken. Denna design erbjuder flera fördelar. För det första, med denna layout, behöver det övre utrymmet i cellen inte reservera utrymme för explosionssäker ventil, vilket sparar inre utrymme i cellskalet. Enligt relevanta forskningsdata kan denna design öka den volymetriska energitätheten med ungefär [x]%. För det andra, i praktiska tillämpningar, om produkten upplever termisk språng på grund av överdriven temperatur, kommer explosionssäker ventil att brista utan att utgöra en fara för cockpit- och kabinens passagerare, vilket effektivt eliminerar personliga säkerhetsrisker.

Till exempel, i praktiska tillämpningar i nya energifordon, ger denna nya prismatiska cellstruktur högre säkerhetssäkring för passagerare.

(b) Integrerad design
I vissa fall av tillverkning av prismatisk cellstruktur är vätskekylplattan, samplingen och provtagningsnätet utformat på ett integrerat sätt. Denna design har betydande fördelar. Å ena sidan minskar vätskekylplattan snabbt celltemperaturen, vilket säkerställer att cellen fungerar inom ett optimalt temperaturområde och därigenom förbättrar cellprestanda och livslängd. I praktiska tester kunde till exempel prismatiska celler med integrerade flytande kylplattor sänka temperaturen med [x] -graden under kontinuerlig högbelastning jämfört med traditionella mönster. Å andra sidan minskar den integrerade designen antalet komponenter, förenklar monteringsprocessen och förbättrar produktionseffektiviteten. Samtidigt hjälper den integrerade designen att minska de totala kostnaderna och förbättra produktens marknadskonkurrenskraft.

(c) Hela flikmonteringsstrukturen
Utformningen av fjäderklippet i hela fliken Prismatiska cellstruktur är unik. Vårklippet består av en första platt platta och en andra platt platta, som bildar en V-formad struktur gjord av elastisk metall. Denna design har betydande fördelar med att ansluta flikarna och täckplattan. För det första använder det elastiska V-formade fjäderklippet sin egen reboundkraft för att pressa mot både täckplattan och flikytorna och uppnå en elektrisk anslutning. Den elastiska kraften förbättrar också kontaktledningsförmågan mellan gränssnitten. Så länge den elastiska kraften finns kommer konduktiviteten att kvarstå, eliminera behovet av svetsade anslutningar och minska monteringssvårigheterna. För det andra beror det ledande tvärsnittsområdet på vårklippet på tvärsnittsarean för anslutningen mellan de första och andra platta plattorna, som är större än anslutningen som bildas av konventionella samlingar och svetsar. I praktiska tester uppvisade till exempel prismatiska celler kopplade till vårklipp en högre överströmsförmåga än de som använder traditionella svetsmetoder, vilket förbättras med [x]%.

(d) Fast strukturdesign
Den fasta strukturen för prismatiska celler och tillverkningsmetoden för batterimodulhöljet har högt praktiskt värde. Konstruktionen inkluderar kombinationen av batterischassit, toppfixade lock och förpackningsremmar. Batterischassit har en första batterifixeringsplats som anpassar sig till botten av den prismatiska cellen och klämmer fast botten av cellen. Den övre fasta locket har en andra batterifixeringsplats som anpassar sig till toppen av den prismatiska cellen och klämmer fast toppen av cellen. Slutligen är förpackningsremmen monterad över batterischassit och det övre fasta locket för att bilda en enda batteripaketfixeringsstruktur. Dessutom är batterimodulhöljet utrustat med antislipkomponenter och en topppartitionsfästplatta. De antislipkomponenterna inkluderar styrskenor på båda sidor av det inre skalet i batterimodulhöljet och begränsar revbenen i botten av höljet, vilket hjälper till att begränsa positionen för varje batteripaket, vilket förhindrar skakning. Den översta partitionens fixeringsplatta kan anslutas till det yttre skalet i batterimodulhöljet, trycka och fixa topparna på flera batteripaket. Denna design förbättrar fixeringssäkerheten för de prismatiska cellerna och ger tillförlitligt skydd för applikationer för energilagringsbatteri.

4. Design Nyckelpunkter Sammanfattning

Designnyckelpunkterna för prismatiska cellstrukturkomponenter är många, och dessa punkter spelar en avgörande roll för att förbättra säkerheten och prestandan hos litiumbatterier.

(a) Design för vätskeinjektionsport
Tätningsdesignen för flytande injektionsporten är direkt relaterad till batteriets säkerhet och livslängd. Den flytande injektionsporttätningspluggen designad av CATL består av en metalldel och en gummidel, med en störningspass vid kontaktpunkten med injektionshålet. Injektionshålet har också ett urtag, och gummidelen av tätningspluggen är utformad med ett utsprång som kan engagera sig i urtaget. Denna konstruktion möjliggör kylmontering vid låga temperaturer, vilket effektivt förhindrar bildning av metallburrs och partiklar, vilket säkerställer tillförlitlig tätning av vätskeinjektionsporten. Samtidigt förhindrar gummidelen metallburrs och partiklar från att falla i batterisalet, vilket säkerställer batterisäkerhet. Den mekaniska tätningsstrukturen kräver inte lasersvetsning, förenklar processen och minskar kostnaderna avsevärt.

(b) Positiv och negativ terminaldesign

Den positiva terminalen är vanligtvis tillverkad av aluminium, medan den negativa terminalen är gjord av en koppar-aluminiumkomposit. Deras primära funktion är att utföra ström. I batteriet svetsar den övre täckningsterminalen, samlingen och cellflikarna samman för att säkerställa att strömmen passerar genom cellen för laddning och urladdning. I modulen är den övre täckningsterminalen lasersvetsad och bultad till samlingen och bildar serie/parallella anslutningar. Dessutom kan direkt anslutning av aluminiumskalet och den positiva terminalen eliminera den potentiella skillnaden mellan de två, vilket förhindrar aluminiumskalkorrosion.

(c) Öka positivt terminalmotstånd
Motståndet mellan det positiva terminalen och aluminiumskalet är mycket litet på milliohm -nivån. När en kortslutning inträffar är slingströmmen stor, och detta kan orsaka gnistrande, vilket kan leda till en batterilag, vilket utgör en betydande säkerhetsrisk. För närvarande tillsätts ofta ledande plast- eller kiselkarbid mellan aluminiumskalets toppskyddsplatta och den positiva terminalen för att öka det ledande motståndet mellan aluminiumskalet och den positiva terminalen. CATL har också designat en PTC -termistor mellan den positiva terminalen och den övre täckplattan. Genom att använda termistorns kännetecken för att förändra motståndet med temperaturen kan PTC -termistorn snabbt konsumera inre energi när kraftbatteriet upplever en extern kortslutning, vilket förhindrar termisk chock från överdriven värme på motståndet. Detta eliminerar frågan om låg motstånd som orsakar smältning samtidigt som man undviker problem som batteril eller motståndsmältning på grund av överdriven temperatur.

(d) Explosionssäker och reverseringsplatta design
Generellt använder toppskyddet för litiumjärnfosfatbatterier en enda explosionssäker ventil, med ett öppningstryck på 0. 4 0. 8 MPa. När det inre trycket ökar och överskrider öppningstrycket för explosionssäker ventil, kommer ventilen att brista vid skåran och öppet för att frigöra trycket. För ternära batterisystem, förutom explosionssäker ventil, används också en SSD-reverseringsplattekombinationsdesign. Öppningstrycket för explosionssäker ventil och reverseringstrycket för SSD-plattan är vanligtvis {{1 0}. 751,05 MPa respektive 0,45 ~ 0,5 MPa. När batteriets inre tryck ökar till SSD -reverseringstrycket, skjuts reverseringsplattan uppåt, vilket snabbt skär av strömmen. Samtidigt blåser aluminiumanslutningsplattans säkring, vilket orsakar en direkt kortslutning mellan de positiva och negativa terminalerna på toppskyddet, vilket snabbt skär av strömmen.

Designnyckelpunkterna för prismatiska cellstrukturkomponenter täcker flera aspekter, inklusive vätskeportens tätning, positiv och negativ terminal design, ökande positiv terminalresistens och utformningen av explosionssäkra och reverseringsplattor. Dessa designelement arbetar tillsammans för att förbättra säkerheten och prestandan för litiumbatterier, vilket ger solid teknisk support för utvecklingen av de nya energifordonet och energilagringsmarknaderna.