آلية التشوه واستراتيجيات الوقاية لهيكل الألومنيوم لبطاريات الليثيوم-أيون

تُستخدم بطاريات الليثيوم-أيون، بما تتمتع به من مزايا البنية المنتظمة وكثافة الطاقة العالية، على نطاق واسع في مجالات مثل مركبات الطاقة الجديدة. ومع ذلك، فإن خصائصها الهيكلية متباينة الخواص تجعلها عرضة لمشاكل التشوه مثل الخلايا المقعرة والمحدبة بسبب القوى غير المتساوية في اتجاهي الطول والعرض أثناء الإنتاج، مما يؤثر بدوره على سلامة البطارية وعمر الخدمة. يرتبط حدوث مشكلات التشوه ارتباطًا وثيقًا بجوانب متعددة مثل خصائص المواد وعمليات التصنيع والتحكم البيئي الداخلي لخلية بطارية الطاقة. ومن الضروري تحليل الأسباب من أبعاد متعددة وتنفيذ السياسات المستهدفة. توفر هذه المقالة تحليلاً متعمقًا- للأسباب الأساسية للتشوه في خلايا الطاقة Lifepo4 وإجراءات الوقاية والتحكم في النظام، مما يوفر مرجعًا فنيًا لممارسة الإنتاج الصناعي.

في نظام إنتاج بطاريات أيون الليثيوم، يرتبط استقرار هيكل بطاريات أيون الليثيوم- ارتباطًا مباشرًا بموثوقية المنتج، وغالبًا ما يكون حدوث مشكلات التشوه نتيجة للتأثير التآزري لعوامل متعددة، مثل خصائص المواد، والتحكم في العملية، والحالة الديناميكية الحرارية الداخلية. من منظور المواد والأبعاد الهيكلية، يعد اختيار مادة غلاف الألومنيوم وتصميم القوة من العوامل الأساسية. إذا تم استخدام مواد ذات قوة شد غير كافية، مثل سبائك الألومنيوم 3003، أو إذا كان سمك القشرة أقل من 0.6 مم، فإنها تكون عرضة للتشوه تحت الضغط الداخلي والإجهاد الحراري. وفي الوقت نفسه، لا يمكن تجاهل الخصائص الهيكلية لمنطقة اللحام. ستشهد المنطقة المتأثرة بالحرارة-التي تشكلت أثناء عملية اللحام انخفاضًا بنسبة 20-30% في القوة المحلية نتيجة لإعادة تنظيم الشبكة، لتصبح منطقة تركيز الإجهاد عرضة للتشوه عند تعرضها لإجهاد لاحق.

إن عقلانية عملية اللحام لها تأثير حاسم على الاستقرار الهيكلي لهيكل بطارية ليثيوم أيون للنظام الشمسي، وتعد عيوب العملية رابطًا مهمًا في إحداث التشوه. اللحام بالليزر، كعملية سائدة، إذا كان التحكم في مدخلات الحرارة خارج نطاق السيطرة، مثل الطاقة التي تتجاوز 300 واط أو سرعة اللحام أقل من 30 مم / ثانية، فسوف يتسبب ذلك في درجات حرارة محلية تتجاوز بكثير نقطة انصهار الألومنيوم عند 660 درجة، وسيكون المسبح المنصهر عميقًا جدًا، مما يؤدي إلى زيادة حادة في إجهاد انكماش التبريد؛ يمكن أن يؤدي التصميم غير الصحيح لخرزة اللحام، مثل عدم وجود شقوق تخفيف الضغط في اللحام الدائري المستمر وعرض حبة اللحام الأقل من 0.8 مم، إلى تقليل قدرة تحمل الحمل -لللحام وزيادة تفاقم خطر التشوه.

الضغط الداخلي غير الطبيعي للبطارية هو السبب الديناميكي الحراري الأساسي للتشوه، والذي يوجد أيضًا في الأنظمة الرئيسية مثل بطارية LiFePO4 Lithium Ion. ردود الفعل الجانبية مثل تحلل المنحل بالكهرباء والأضرار غير الطبيعية لفيلم SEI داخل خلية البطارية سوف تسرع إنتاج الغاز عندما تتجاوز درجة الحرارة 45 درجة، وعندما يتجاوز الضغط الداخلي 10 كيلو باسكال، فإنه سيدفع القشرة إلى التشوه؛ وفي الوقت نفسه، يمكن أن يصل معدل توسع القطب السالب إلى 20-30% في حالة الشحن الكامل. إذا تجاوزت الفجوة بين القلب والجدار الداخلي للغلاف 1.0 مم (الفجوة القياسية الصناعية هي 0.3-0.8 مم)، فلا يمكن تقييد قوة التمدد بشكل فعال بواسطة الغلاف وسوف تتجه نحو درجة أعلى من الحرية في الاتجاه الرأسي، مما يتسبب في تشوه لوحة الغطاء أو الجدار الجانبي. بالإضافة إلى ذلك، في إنتاج حزمة بطاريات الليثيوم لأنظمة تخزين الطاقة الشمسية، إذا تجاوزت الفجوة بين القلب والجدار الداخلي للغلاف المعيار، فإن القطب السالب سوف يملأ أولاً الفجوات المحيطة عند التمدد، مما يزيد من تضخيم تأثير التشوه العمودي.

يمكن أيضًا أن تؤدي انحرافات التحكم في العملية أثناء عملية الإنتاج إلى حدوث مشاكل التشوه أو تفاقمها. إذا تجاوزت الفجوة بين لوحة الغطاء والقشرة 0.2 مم أثناء عملية التجميع، فإن الضغط الحراري أثناء اللحام سوف يتراكب مع تأثير إزاحة الفجوة، مما يؤدي مباشرة إلى التشوه؛ إذا تم ضبط درجة الفراغ على مستوى منخفض جدًا (أقل من -90 كيلو باسكال) أثناء مرحلة الختم، فإن الضغط الجوي الخارجي سيؤثر بشكل مباشر على الأجزاء الضعيفة من الغلاف، مما يتسبب في تشوه الضغط السلبي.

استنادًا إلى آلية التشوه المذكورة أعلاه والممارسات الفنية الصناعية، يمكن إنشاء نظام الوقاية والتحكم من أبعاد مثل تحسين المواد، وتحسين العملية، والتحكم في الضغط الداخلي، وتعزيز العملية. فيما يتعلق بتحسين المواد والهيكل، تتمثل الفكرة الأساسية في تحسين قدرة تحمل الحمولة للهيكل، والتي يمكن تحقيقها باستخدام سبائك الألومنيوم 5052 مع زيادة بنسبة 30% في قوة الشد، وإضافة 0.5-1.0 مم من أضلاع التعزيز العالية في منطقة الغطاء العلوي، وزيادة سمك هيكل بطاريات ليثيوم أيون نظام الطاقة الشمسية المنزلية إلى 0.8-1.0 مم. وفي الوقت نفسه، تم اعتماد هيكل لحام مركب يجمع بين اللحام بالليزر واللحام بالموجات فوق الصوتية لتقليل مدخلات الحرارة ذات النقطة الواحدة وتحسين استقرار منطقة اللحام.

يحتاج تحسين عملية اللحام إلى التركيز على التحكم الدقيق، باستخدام استراتيجية اللحام بالطاقة المتدرجة، أي مجموعة من المعلمات 200 وات / 30 مم / ثانية لقسم البداية، 250 وات / 25 مم / ثانية للقسم الأوسط، و 180 وات لقسم النهاية، للتحكم في عمق المنطقة المتأثرة بالحرارة في حدود 0.5 مم؛ في الوقت نفسه، قم بتحسين تصميم حبة اللحام عن طريق تغيير حبة اللحام المستمرة إلى وضع اللحام المجزأ، مع حجز كل قطعة من 5 إلى 8 مم وحجز منطقة تحرير الضغط بمقدار 2 مم. وفي الوقت نفسه، قم بزيادة عرض حبة اللحام إلى 1.2 مم لتعزيز قدرة تحمل اللحام.

يجب أن يبدأ التحكم في الضغط الداخلي من جانبين: تعويض التمدد وقمع إنتاج الغاز. فيما يتعلق بالتصميم الهيكلي، يمكن تركيب طبقة عازلة مرنة بمعدل ضغط يتجاوز 50% في الجزء الداخلي من لوحة غطاء بطاريات الليثيوم الشمسية، مما يترك مساحة تمدد تبلغ 0.5-1.0 مم لتخفيف تأثير الضغط الناتج عن تمدد القطب السالب؛ فيما يتعلق بتحسين النظام الكيميائي، فإن إضافة 1-2% من إضافات تشكيل الفيلم FEC في عملية الحقن يمكن أن يمنع بشكل فعال الضرر غير الطبيعي لفيلم SEI، ويتحكم في إنتاج الغاز تحت الشحن الكامل في حدود 0.5 مل/ساعة (يتم مراقبته في الوقت الفعلي من خلال اختبار التحليل اللوني للغاز)، ويقلل تراكم الضغط الداخلي من المصدر.

يتطلب تعزيز التحكم في العملية استخدام التكنولوجيا الذكية، وإدخال نظام تحديد المواقع البصري في عملية التجميع للتحكم في دقة تحديد المواقع في حدود ± 0.05 مم. في نفس الوقت، ترقية تجهيزات اللحام إلى وضع التثبيت بقوة ثابتة يضمن قوة تثبيت تبلغ 20-30N مع تقلبات لا تتجاوز 5%، مما يقلل من خطر التشوه الناتج عن انحراف التجميع. أضف محطة اختبار الضغط في مرحلة الفصل الكيميائي، والتي سوف تنبه تلقائيًا عندما يتجاوز الضغط المكتشف 5 كيلو باسكال. وفي الوقت نفسه، جنبًا إلى جنب مع اكتشاف الأشعة السينية لمعدل تشوه الغلاف، سيتم التحكم في الحد الأدنى في حدود 0.3% لتحقيق التعرف المبكر والتحكم في مشاكل التشوه في بطارية نظام تخزين طاقة الليثيوم أيون.

تجدر الإشارة إلى أن منع التشوه والتحكم في غلاف الليثيوم أيون لـ BESS هي عملية هندسية منهجية. يجب دمج المعلمات الفنية المتضمنة في المقالة مع معدات إنتاج محددة، ونماذج المنتجات، وسيناريوهات التطبيق، وتحسينها والتحقق منها من خلال تجارب وزارة الطاقة قبل التنفيذ. بالنسبة للمنتجات ذات سيناريوهات التطبيق الخاصة، مثلبطاريات ليثيوم-أيون، من الضروري إجراء مزيد من الضبط لمعلمات الوقاية والتحكم بناءً على خصائص درجة الحرارة والضغط لبيئة التطبيق لضمان الاستقرار الهيكلي للمنتج طوال دورة حياته بأكملها. بالإضافة إلى ذلك، فإن منع التشوه والتحكم في خلية بطارية ليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن يحتاج أيضًا إلى مراعاة التغيرات الديناميكية الحرارية أثناء دورات الشحن والتفريغ، وتحقيق مراقبة الجودة طوال العملية بأكملها.