Conception et analyse des composants structurels cellulaires prismatiques

一. Aperçu des composants structurels des cellules prismatiques
Les composants structurels des cellules prismatiques jouent un rôle crucial dans les batteries au lithium. Ils servent principalement des fonctions telles que la transmission d'énergie, le confinement des électrolytes, la protection de la sécurité, le support et la fixation de la batterie et la décoration extérieure. Ces composants ont un impact direct sur la sécurité, les performances d'étanchéité et l'efficacité de l'utilisation d'énergie des batteries au lithium.

Selon les données pertinentes, la taille du marché des composants structurels de la batterie au lithium en Chine a atteint 33,8 milliards de yuans en 2022, ce qui représente une croissance annuelle de 93,2%. Parmi eux, les composants structurels de la batterie prismatique ont longtemps occupé la majorité du marché des composants structurels, avec une part de marché pouvant atteindre 90,7%, tandis que les composants structurels de la batterie cylindrique ne représentent que 9,3%. Cette domination est principalement due au développement rapide du nouveau marché chinois des véhicules énergétiques, tirée par un solide soutien politique gouvernemental. La capacité de production des fabricants de batteries et le nombre de cellules par ordre ont augmenté de manière significative, et les batteries prismatiques sont mieux adaptées pour répondre aux demandes de production à grande échelle.

Les composants structurels des cellules prismatiques sont généralement composées d'une coquille et d'une plaque de couverture. Le processus de fabrication de la coquille est relativement simple, principalement en utilisant des processus de dessin en profondeur continue, et est généralement en acier ou en aluminium. Il offre une résistance structurelle élevée et une forte résistance aux charges mécaniques. En revanche, le processus de fabrication de la plaque de couverture est généralement beaucoup plus complexe que celui de la coque. Ses principales fonctions comprennent la fixation / l'étanchéité, la conduction du courant, le soulagement de la pression, la protection contre les fusibles et la réduction de la corrosion électrique. Par exemple, le couvercle supérieur est soudé au laser à la coquille d'aluminium pour encapsuler et fixer la cellule nue tout en assurant une structure scellée. Les bornes, les barres et les onglets des bus et les cellules du couvercle supérieur sont soudés pour garantir la conduction du courant de charge et de décharge appropriée. Lorsque la batterie rencontre une situation anormale et que la pression interne augmente, la soupape de sécurité du couvercle supérieur s'ouvre pour libérer la pression, réduisant le risque d'explosion.

Les composants structurels des cellules prismatiques jouent un rôle indispensable dans les batteries au lithium, et leurs perspectives de marché deviennent de plus en plus larges avec le développement des nouveaux marchés de stockage d'énergie et d'énergie.

2. Types et fonctions des composants structurels

a) Coquille
En tant que composante cruciale des composants structurels cellulaires prismatiques, la coquille joue un rôle clé dans la fixation, la protection, l'étanchéité et la dissipation de la chaleur. Il sert de barrière entre les matériaux actifs à l'intérieur de la cellule et l'environnement externe tout au long de son cycle de vie, offrant une stabilité structurelle au système électrochimique interne et garantissant que la cellule maintient une structure stable dans diverses conditions.

En termes de protection, la coquille peut résister à certaines charges mécaniques, empêchant les impacts externes d'endommager la cellule. Sa fonction d'étanchéité garantit que l'électrolyte ne fuit pas, maintenant l'état de fonctionnement normal de la batterie. De plus, la coquille aide à la dissipation de la chaleur en libérant la chaleur générée pendant le fonctionnement de la batterie, améliorant ainsi la sécurité de la batterie et prolongeant sa durée de vie.

Le processus de production de la coquille comprend principalement la tranche de matières premières, le dessin profond continu de précision, la coupe, le nettoyage, le séchage et l'inspection. Parmi ceux-ci, la technologie de dessin en profondeur continue de précision est l'aspect le plus difficile de la production de coquilles. Au cours de ce processus, il est essentiel d'assurer une épaisseur de paroi uniforme et de prévenir les fractures.

Par rapport à l'estampage conventionnel en une seule étape, le dessin profond continu de précision est plus difficile. Ses barrières de base se trouvent dans les moules et l'équipement de dessin. Des moules de haute qualité et des équipements de dessin avancés sont essentiels pour garantir la précision dimensionnelle et la stabilité des performances de la coque.

(b) plaque de couverture
La plaque de couverture joue un rôle crucial dans les composants structurels des cellules prismatiques, fournissant des fonctions telles que la connexion, l'isolement, la scellage et la protection de l'explosion.

Le capuchon en acier est situé en haut de la plaque de couverture et a une résistance élevée, ce qui le rend résistant à la déformation sous des forces externes. Il sert à protéger la feuille d'aluminium anti-explosion et est également un composant pour connecter les batteries dans le pack. L'anneau d'étanchéité est situé sur le bord le plus extérieur de la plaque de couverture, isolant les parties métalliques internes du capuchon combiné de la coque en acier de batterie. Il fournit une isolation pour empêcher les courts-circuits internes et garantit également le scellement une fois la batterie scellée.

Le composant anti-explosion est principalement utilisé pour la coupure de puissance et le soulagement de la pression pendant la surcharge de la batterie pour éviter une explosion causée par une pression interne excessive. Il se compose d'un anneau d'isolement, d'une feuille d'aluminium anti-explosion et de connexion en aluminium. La feuille d'aluminium anti-explosion est située au milieu de la plaque de couverture et est le composant central qui détermine le seuil de circuit et la libération de pression critique. Lorsque la pression interne de la batterie atteint une certaine valeur, il éclate automatiquement de libérer la pression, assurant la sécurité de la batterie. La feuille d'aluminium de connexion est située au bas de la plaque de couverture et est connectée à la feuille d'aluminium anti-explosion par soudage au laser. En cas de situation dangereuse, il se déconnecte de la feuille d'aluminium anti-explosion. L'anneau d'isolement est situé à la connexion entre la feuille d'aluminium de connexion et la feuille d'aluminium anti-explosion, fournissant l'isolement et l'isolation.

Le processus de production de la plaque de couverture est plus complexe que celui de la coquille et comprend principalement l'estampage et le moulage par injection, l'inspection des composants, le collage, l'immersion en asphalte, l'emballage et la mise en forme des bords, le soudage au comptant, l'assemblage des composants, le soudage au comptant, l'assemblage final et l'inspection avant stockage. Les étapes de test comprennent les tests de pression résistants aux explosions, les tests de fuite d'hélium, les tests de résistance interne et les tests de résistance. Les étapes les plus difficiles du processus de production sont les pièces d'estampage et de soudage, y compris l'estampage en acier, l'estampage en aluminium à l'épreuve des explosions, la connexion de l'estampage en aluminium, l'estampage du cycle d'isolement, l'estampage du cycle d'isolement, le soudage à la friction pendant l'installation du terminal et le soudage laser pendant l'assemblage.

(c) Plaque de connexion du module de batterie

La plaque de connexion du module de batterie joue un rôle important dans la connexion des composants du module de batterie d'alimentation. Il est principalement fabriqué à l'aide de matériaux composites multicouches, avec une couche agissant comme la couche de connexion entre le connecteur et le terminal pour assurer de bonnes performances de soudage. L'empilement de matériaux multicouches assure la conductivité électrique de la plaque de connexion. Après avoir traité la plaque de base avec plusieurs couches de papier d'aluminium, il forme une zone flexible pour compenser le déplacement provoqué par l'expansion de la cellule de batterie de puissance, réduisant l'impact sur les interfaces à faible résistance. Les connecteurs des modules de batterie d'alimentation sont généralement en formes rectangulaires, trapézoïdales, triangulaires ou étagées. La surface de connexion est recouverte de 0. 1 mm de feuille de cuivre plaquée en nickel d'épaisseur, qui est sujette à l'oxydation et à la décoloration à des températures élevées pendant le soudage, nécessitant le polissage et le nettoyage sans endommager le revêtement de surface.

3. Analyse de cas de conception

(a) Conception d'une nouvelle vanne résistante à l'explosion

Dans un nouveau type de structure cellulaire prismatique, la valve résistante à l'explosion est positionnée du côté opposé des électrodes positives et négatives, face au sol. Cette conception offre plusieurs avantages. Premièrement, avec cette disposition, l'espace supérieur de la cellule n'a pas besoin de réserver un espace pour la vanne résistant à l'explosion, économisant considérablement l'espace interne dans la coque de la cellule. Selon les données de recherche pertinentes, cette conception peut augmenter la densité d'énergie volumétrique d'environ [x]%. Deuxièmement, dans les applications pratiques, si le produit connaît le runnway thermique en raison d'une température excessive, la vanne étanche à l'explosion se rompra sans poser de danger pour le cockpit et les occupants de la cabine, éliminant efficacement les risques de sécurité personnelle.

Par exemple, dans les applications pratiques dans de nouveaux véhicules énergétiques, cette nouvelle structure cellulaire prismatique fournit une assurance de sécurité plus élevée pour les passagers.

(b) conception intégrée
Dans certains cas de fabrication de structure cellulaire prismatique, la plaque de refroidissement liquide, la barre de bus et le harnais d'échantillonnage sont conçues de manière intégrée. Cette conception présente des avantages importants. D'une part, la plaque de refroidissement liquide réduit rapidement la température de la cellule, garantissant que la cellule fonctionne dans une plage de température optimale, améliorant ainsi les performances des cellules et la durée de vie. Par exemple, dans les tests pratiques, les cellules prismatiques avec des plaques de refroidissement liquide intégrées ont pu réduire leur température par [x] de degré sous un fonctionnement continu à haute charge par rapport aux conceptions traditionnelles. D'un autre côté, la conception intégrée réduit le nombre de composants, simplifie le processus d'assemblage et améliore l'efficacité de la production. Dans le même temps, la conception intégrée aide à réduire les coûts globaux et à améliorer la compétitivité du marché du produit.

(c) Structure d'assemblage complète
La conception du clip à ressort dans la structure des cellules prismatiques de l'onglet complète est unique. Le clip à ressort se compose d'une première plaque plate et d'une deuxième plaque plate, formant une structure en V en métal élastique. Cette conception présente des avantages importants dans la connexion des onglets et de la plaque de couverture. Premièrement, le clip à ressort en forme de V élastique utilise sa propre force de rebond pour appuyer contre la plaque de couverture et les surfaces d'onglet, réalisant une connexion électrique. La force élastique améliore également la conductivité de contact entre les interfaces. Tant que la force élastique existe, la conductivité restera, éliminant le besoin de connexions soudées et réduisant la difficulté d'assemblage. Deuxièmement, la zone transversale conductrice du clip à ressort dépend de la zone transversale de la connexion entre les première et deuxième plaques plates, qui est plus grande que la connexion formée par des bus et des soudures conventionnelles. Par exemple, dans les tests pratiques, les cellules prismatiques liées aux clips de ressort présentaient une capacité de surintensité plus élevée que celles utilisant des méthodes de soudage traditionnelles, s'améliorant par [x]%.

(d) Conception de structure fixe
La structure fixe des cellules prismatiques et la méthode de fabrication du boîtier du module de batterie ont une valeur pratique élevée. La conception comprend la combinaison du châssis de batterie, du capuchon fixe supérieur et des sangles d'emballage. Le châssis de batterie a un premier emplacement de fixation de batterie qui s'adapte au bas de la cellule prismatique, serrant solidement le bas de la cellule. Le capuchon fixe supérieur a un deuxième emplacement de fixation de batterie qui s'adapte au sommet de la cellule prismatique, serrant solidement le haut de la cellule. Enfin, la sangle d'emballage est installée sur le châssis de la batterie et le capuchon fixe supérieur pour former une seule structure de fixation de la batterie. De plus, le boîtier du module de batterie est équipé de composants antidérapants et d'une plaque de fixation de partition supérieure. Les composants antidérapants comprennent des rails de guidage des deux côtés de la coquille intérieure du boîtier du module de batterie et limiter les côtes au bas du boîtier, ce qui aide à limiter la position de chaque batterie, empêchant les tremblements. La plaque de fixation de la partition supérieure peut être connectée à détachement à la coquille extérieure du boîtier du module de batterie, en appuyant et en fixant le dessus de plusieurs batteries. Cette conception améliore la sécurité de fixation des cellules prismatiques et offre une protection fiable pour les applications de case de batterie de stockage d'énergie.

4. Résumé des points clés de conception

Les points clés de conception des composants structurels des cellules prismatiques sont nombreux, et ces points jouent un rôle crucial dans l'amélioration de la sécurité et des performances des batteries au lithium.

(a) Conception d'étanchéité du port d'injection de liquide
La conception d'étanchéité du port d'injection liquide est directement liée à la sécurité et à la durée de vie de la batterie. Le bouchon d'étanchéité du port d'injection liquide conçu par CATL se compose d'une partie métallique et d'une pièce en caoutchouc, avec un ajustement d'interférence au point de contact avec le trou d'injection. Le trou d'injection comprend également une évidence, et la partie en caoutchouc du bouchon d'étanchéité est conçue avec une saillie qui peut s'engager avec la récréation. Cette conception permet un assemblage de refroidissement à basses températures, empêchant efficacement la formation de terrifiants et de particules métalliques, assurant une étanchéité fiable du port d'injection de liquide. Dans le même temps, la partie en caoutchouc empêche les bavures et les particules métalliques de tomber dans la coque de la batterie, garantissant la sécurité de la batterie. La structure mécanique d'étanchéité ne nécessite pas de soudage au laser, simplifiant le processus et réduisant considérablement les coûts.

(b) Conception terminale positive et négative

Le terminal positif est généralement en aluminium, tandis que le terminal négatif est composé d'un composite en cuivre-aluminium. Leur fonction principale est de mener un courant. Dans la batterie, la borne de couverture supérieure, la barre de bus et les onglets cellulaires sont soudées ensemble pour s'assurer que le courant passe à travers la cellule pour la charge et la décharge. Dans le module, la borne de couverture supérieure est soudée au laser et boulonnée vers la barre de bus, formant des connexions série / parallèles. De plus, la connexion directe de la coque en aluminium et la borne positive peuvent éliminer la différence de potentiel entre les deux, empêchant la corrosion de la coquille d'aluminium.

(c) Augmentation de la résistance terminale positive
La résistance entre la borne positive et la coque en aluminium est très faible, au niveau des milliohms. Lorsqu'un court-circuit se produit, le courant de boucle est grand, ce qui peut provoquer un étincelle, ce qui peut entraîner un incendie de batterie, posant un risque de sécurité significatif. Actuellement, du carbure de plastique ou de silicium conducteur est souvent ajouté entre la plaque de couverture supérieure de la coque en aluminium et la borne positive pour augmenter la résistance conductrice entre la coque en aluminium et la borne positive. CATL a également conçu une thermistance PTC entre le terminal positif et la plaque de couverture supérieure. En utilisant la caractéristique de la thermistance de changer la résistance avec la température, la thermistance PTC peut rapidement consommer de l'énergie interne lorsque la batterie de puissance subit un court-circuit externe, empêchant les chocs thermiques de chaleur excessive sur la résistance. Cela élimine le problème de la faible résistance provoquant une fusion tout en évitant les problèmes tels que le feu de batterie ou la fusion des résistances en raison d'une température excessive.

(d) Conception d'assiette à l'épreuve et à l'inversion
Généralement, le couvercle supérieur des batteries de phosphate de fer lithium utilise une seule soupape résistant à l'explosion, avec une pression d'ouverture de 0. 4 0. 8 MPa. Lorsque la pression interne augmente et dépasse la pression d'ouverture de la vanne résistante à l'explosion, la vanne se romptra à l'encoche et ouverte à la pression de libération. Pour les systèmes de batterie ternary, en plus de la vanne résistante à l'explosion, une conception de combinaison de plaques d'inversion SSD est également utilisée. La pression d'ouverture de la soupape résistante à l'explosion et la pression d'inversion de la plaque SSD sont généralement {{1 0}}. 751,05 MPa et 0,45 ~ 0,5 MPa, respectivement. Lorsque la pression interne de la batterie augmente à la pression d'inversion SSD, la plaque d'inversion est poussée vers le haut, coupant rapidement le courant. Simultanément, le fusible de la plaque de connexion en aluminium souffle, provoquant un court-circuit direct entre les bornes positives et négatives du couvercle supérieur, coupant rapidement le courant.

Les points clés de conception des composants structurels des cellules prismatiques couvrent plusieurs aspects, notamment la scellage du port d'injection de liquide, la conception terminale positive et négative, l'augmentation de la résistance terminale positive et la conception de plaques anti-explosion et d'inversion. Ces éléments de conception fonctionnent ensemble pour améliorer la sécurité et les performances des batteries au lithium, fournissant un soutien technique solide pour le développement des nouveaux marchés de stockage d'énergie et de stockage d'énergie.